Thermische Nutzung des Untergrunds. Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen Anschlussleitungen zwischen 2 Normative Verweise... 3

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1 ICS VDI-RICHTLINIEN Mai 2015 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Thermische Nutzung des Untergrunds Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Thermal use of the underground Ground source heat pump systems Einsprüche bis vorzugsweise über das VDI-Richtlinien-Einspruchsportal Frühere Ausgabe: Zu beziehen durch Beuth Verlag GmbH, Berlin Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.v., Düsseldorf Thermische Nutzung des Grundwassers mit Brunnenanlagen Auslegung Errichtung und Inbetriebnahme der Anlage Nutzung des oberflächennahen Untergrunds mit Erdwärmekollektoren Auslegung horizontaler Erdwärmekollektoren Installation Nutzung des Untergrunds mit Erdwärmesonden Auslegung Installation/Errichtung der Anlage Besonderheiten von Anlagen mit Direktverdampfung Auslegung Installation Inbetriebnahme Besonderheiten weiterer Wärmequellenanlagen/Wärmesenkenanlagen Gründungspfähle als Wärmeübertrager Energiepfähle Erdberührte Betonbauteile als Wärmeübertrager Geothermie in Tunnelbauwerken Kompakte Erdwärmekollektoren Speichersonde VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (GEU) Fachbereich Energiewandlung und -anwendung VDI-Handbuch Energietechnik VDI-Handbuch Wärme-/Heiztechnik in Papierform an VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt Fachbereich Energiewandlung und -anwendung Postfach Düsseldorf Inhalt Seite Inhalt Seite Vorbemerkung Systemeinbindung Einleitung Verteiler und Sammler Armaturen und Pumpen Anwendungsbereich Anschlussleitungen zwischen 2 Normative Verweise... 3 Verteiler und Wärmepumpe Begriffe Dimensionierung der Rohrleitungen und Pumpen Formelzeichen und Abkürzungen Wärmenutzungsanlagen Erdgekoppelte Wärmepumpe Betriebsweisen von Wärmepumpen Bauaustrocknung Austausch von Wärmepumpen Materialien für Wärmequellenanlagen Materialeigenschaften polymerer Werkstoffe Materialeigenschaften nicht polymerer Materialien Verhalten in Störfällen und Rückbau erdgekoppelter Wärmepumpenanlagen Verhalten in Störfällen Rückbau der Wärmepumpe Rückbau der Wärmequellenanlage Anhang A Druckverlustdiagramme Anhang B Verpressung von Erdwärmesonden (Beispiel für Verpressprotokoll) Anhang C Prüfverfahren des Frost-Tau- Widerstands Schrifttum Vervielfältigung auch für innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet

2 2 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der Übersetzung, jeweils auszugsweise oder vollständig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen ( die in den VDI-Merkblättern geregelt sind, möglich. An der Erarbeitung dieser Richtlinie waren beteiligt: Dipl.-Geol. Wolfgang Büttner, München Dipl.-Ing. Mathias Broder, Sargans (CH) Dr.-Ing. Johannes Brugmann, Holzminden Dipl.-Ing. Hartmut Dittrich, Hamburg Dr. Walter J. Eugster, Zürich (CH) Bau-Ing. Gerhard Geisen, Velten Dipl.-Geol. Claudia Holl, Krefeld Dipl.-Ing. Manfred Fricke, Erfurt Dr.-Ing. Michael Koch, Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, Biberach Dipl.-Ing. Dirk Ludwig, Allendorf/Eder Dipl.-Ing. Gerd Lugert, Mörfelden-Walldorf Dipl.-Ing. (FH) Mario Psyk, Erlangen Dipl.-Ing. Christof Pufahl, Ennigerloh Dipl.-Ing. (FH) Erich Ramming, Kulmbach Dipl.-Phys. Manfred Reuß, Garching (Vorsitzender) Dr. Sven Rumohr, Wiesbaden Dr. Burkhard Sanner, Gießen (stellvertretender Vorsitzender) Dr. Ingo Schäfer, Krefeld Dr. Simone Walker-Hertkorn, Starzach-Felldorf Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Einleitung Der Untergrund kann als Wärmequelle, Wärmesenke und thermischer Energiespeicher genutzt werden. Er ist wegen des großen erschließbaren Volumens und des gleichmäßigen Temperaturniveaus für viele Anwendungen gut geeignet. Umwelt- und Erdwärme aus dem Untergrund werden über horizontale oder vertikale Erdreichwärmeübertrager oder durch Abpumpen von Grundwasser gewonnen und (meist über Wärmepumpen) zum Heizen eingesetzt. Derartige Wärmepumpenanlagen können neben der Beheizung auch für die Kühlung verwendet werden. Die direkte Kühlung aus dem Untergrund ohne Einsatz der Wärmepumpe im Sommer ist energetisch besonders günstig. Erdgekoppelte Wärmepumpen haben in Nordamerika und in Europa eine große Verbreitung erlangt und stellen heute eine bewährte Technik dar. Grund dafür ist, dass die Wärmepumpe bezüglich des Primärenergiebedarfs beim gegenwärtigen Stand der Technik mit realisierbaren Einsparungen von bis zu 60 % gegenüber dem Ölkessel und bis zu 40 % im Vergleich zum Gasbrennwertkessel die effizientere Technik darstellt. Des Weiteren entstehen durch den Einsatz der Elektrowärmepumpen im Gegensatz zur Öl- und Gasheizung die Schadstoffemissionen nicht vor Ort, sondern im Wesentlichen in modernen, mit aufwendigen Abgasreinigungsanlagen ausgerüsteten Kraftwerken. Dadurch wird ein wesentlicher Beitrag zur Senkung der Immissionen in dicht bebauten Wohngebieten geleistet. Der Untergrund kann auch als thermischer Speicher zur Heizung oder Kühlung dienen. Wärme aus regenerativen Quellen (Solarthermie, Erdwärme und ähnliche) oder Abwärme, die sonst verloren gehen würde, kann gespeichert und später verwendet werden. Das Gleiche ist auch mit Umweltkälte möglich, die für Kühlanwendungen gespeichert werden kann. Schließlich sind auch Puffer- oder Redundanzspeicher in der Fernwärmeversorgung oder für Industrieprozesse möglich. Unterirdische thermische Energiespeicherung eignet sich besonders für die Speicherung größerer Wärme- oder Kältemengen über längere Zeiträume. Die Richtlinienreihe VDI 4640 besteht aus fünf Blättern: Blatt 1 Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte Blatt 2 Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen Blatt 3 Unterirdische thermische Energiespeicher Blatt 4 Direkte Nutzungen Blatt 5 Thermal-Response-Test (in Vorbereitung) Eine Liste der aktuell verfügbaren Blätter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter 1 Anwendungsbereich In der Richtlinie werden Auslegung und Installation folgender Anwendungsfälle betrachtet: Wärmepumpenanlagen (WP-Anlagen) mit Nutzung des Grundwassers durch Brunnenanlagen, WP-Anlagen mit Nutzung des Untergrunds durch Erdwär-

3 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 3 mekollektoren und Erdwärmesonden sowie Anlagen mit Direktverdampfung. Weitere Wärmequellenanlagen, wie Energiepfähle, erdberührte Betonbauteile oder Tunnelbauwerke als Wärmeübertrager, kompakte Erdwärmekollektoren und Speichersonden, werden ebenfalls in der Richtlinie behandelt. Die Systembetrachtung der kompletten Anlage (Anschluss Wärmepumpeverteiler, Armaturen und Pumpen, Heizsysteme, Pufferspeicher, Steuerung und Trinkwassererwärmung) behandelt Aspekte, die bei der Dimensionierung und Installation des Gesamtsystems beachtet werden müssen. Die Richtlinie wendet sich an planende und ausführende Unternehmen, an Komponentenhersteller (z. B. für Wärmepumpen, Erdwärmekollektoren oder -sonden, Verpressmaterialien), an Genehmigungsbehörden, an Energieberater und an Fachausbilder. 2 Normative Verweise Die folgenden zitierten Dokumente sind für die Anwendung dieser Richtlinie erforderlich: DIN 4943: Zeichnerische Darstellung und Dokumentation von Brunnen und Grundwassermessstellen DIN EN ISO : Geotechnische Erkundung und Untersuchung-Probeentnahmeverfahren und Grundwassermessungen; Teil 1: Technische Grundlagen der Ausführungen (ISO :2006); Deutsche Fassung EN ISO :2006 DVGW W 124: Kontrollen und Abnahmen beim Bau von Vertikalfilterbrunnen DVGW W 130: Brunnenregenerierung DVGW W 135: Sanierung und Rückbau von Bohrungen, Grundwassermessstellen und Brunnen DVGW W 400-2: Technische Regeln Wasserverteilungsanlagen (TRWV); Teil 2: Bau und Prüfung VDI 4640 Blatt 1: Thermische Nutzung des Untergrunds; Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte 3 Begriffe Für die Anwendung dieser Richtlinie gelten die Begriffe nach VDI 4640 Blatt 1 und folgende Begriffe: Berechnete Jahresarbeitszahl (Seasonal Coefficient Of Performance, SCOP) Für eine Elektro-Wärmepumpe aus Leistungszahlen (COP-Werten) unter Festlegung standardisierter Randbedingungen nach unterschiedlichen Verfahren (z. B. nach VDI 4650 Blatt 1) berechnete Arbeitszahl. Direktverdampfung Zirkulation des Arbeitsmittels im Wärmepumpenkreislauf direkt in Erdreichwärmeübertragern und dort Aufnahme der Wärme. Energiepfahl Pfahl zur Stützung der Gebäudelast bei nicht tragfähigen Baugrundverhältnissen. Anmerkung: Die meisten erdberührten Betonbauteile eines Gebäudes, die aus statischen oder baupraktischen Gründen zu erstellen sind, können ohne erheblichen Zusatzaufwand thermisch aktiviert werden. Erdwärmekollektor Wärmeübertrager, der horizontal oder schräg in den oberen fünf Metern des Untergrunds im freien Gelände eingebaut wird. Anmerkung: Es kann sich dabei um einzelne Rohrstränge handeln, aber auch um parallele Rohrregister, spiral- oder schraubenförmige Rohrstränge, Rohrregister an Grabenwänden und ähnliche Anordnungen. Erdwärmesonde Wärmeübertrager, der vertikal oder schräg in den Untergrund eingebracht wird. Anmerkung: Meist handelt es sich um Kunststoffrohre, die in Bohrlöchern eingebaut werden und entweder U-förmig oder konzentrisch als Innen- und Außenrohr ausgebildet sind; es können aber auch schraubenförmige Rohrwendel, Rohrbündel etc. eingesetzt werden. Der Wärmetransport innerhalb der Erdwärmesonden erfolgt meist durch das Umpumpen einer Wärmeträgerflüssigkeit. Erdwärmesonden, die nur dem Wärmeentzug aus dem Untergrund dienen, können auch nach dem Prinzip des Wärmerohrs (Heat Pipe) ausgebildet sein. Leistungszahl (Coefficient Of Performance, COP, ε) Momentanes Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener elektrischer Leistung für den Antrieb des Verdichters und der Hilfsantriebe einer Elektrowärmepumpe für einen bestimmten Arbeitspunkt. [in Anlehnung an VDI 4650 Blatt 1]. Anmerkung: Siehe DIN EN SDR (Standard Dimension Ratio) Kennzahl, die das Verhältnis zwischen Außendurchmesser und Wanddicke eines Rohrs angibt. Wärmerohr (Heat Pipe) Rohr, in dem ein Arbeitsmittel (Kohlendioxid (CO 2), Propan (C 3H 8) o. Ä.) im seinem unteren Teil verdampft, als Gas nach oben steigt, die aufgenommene Wärme bei der Kondensation ab gibt und als Flüssigkeit wieder in den unteren Teil des Rohrs fließt.

4 4 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf Formelzeichen und Abkürzungen Formelzeichen In dieser Richtlinie werden sowohl die in VDI 4640 Blatt 1 als auch die nachfolgend aufgeführten Formelzeichen verwendet: Formelzeichen Bezeichnung Einheit A Fläche m 2 i hydraulischer Gradient k f Durchlässigkeitsbeiwert m/s l Länge m n Anzahl P Leistung W, kw Q Wärmefluss pro m Rohrlänge W/m q spezifische Entzugsleistung W/m r R b Entfernung vom Rohrmittelpunkt effektiver thermischer Bohrlochwiderstand m K/(W/m) Re Reynoldszahl SCOP berechnete Jahresarbeitszahl t Zeit s ϑ Temperatur C VV Durchflussrate m 3 /h Abkürzungen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufgeführten Abkürzungen verwendet: EWK Erdwärmekollektor EWS Erdwärmesonde FNCT Test zum Risswachstumsverhalten (Full Notch Creep Test) GOK Geländeoberkante m u GOK Meter unter Geländeoberkante PA Polyamid PB Polybuten PE Polyethylen PP Polypropylen PVC Polyvinylchlorid SDR Durchmesser-Wanddicken-Verhältnis (Standard Dimension Ratio) 5 Thermische Nutzung des Grundwassers mit Brunnenanlagen Wasser ist ein sehr guter Wärmeträger. Bei Vorliegen entsprechender Randbedingungen kann die thermische Energiegewinnung über das Grundwasser daher eine sehr effiziente Form der thermischen Nutzung des Untergrunds zu Heiz- und/oder Kühlzwecken darstellen. Bei Planung, Bau und Betrieb von Brunnenanlagen zur thermischen Nutzung des Untergrunds sind die wasserrechtlichen Vorgaben und die jeweiligen landesspezifischen Regelungen zu beachten. Zur thermischen Nutzung soll im Hinblick auf die Effizienz der Anlage wie auch auf den Grundwasserschutz vorrangig oberflächennahes Grundwasser mit freiem Grundwasserspiegel benutzt werden; bei einer Nutzung tieferer Grundwasserstockwerke sind besondere Schutzvorkehrungen erforderlich (siehe VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 5). Die Planung der Brunnenanlagen muss von einschlägigen Planungsbüros oder entsprechend qualifizierten Fachbetrieben des Brunnenbauerhandwerks ausgeführt werden. Hierbei sind die Empfehlungen der VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt zu beachten. 5.1 Auslegung Eine Brunnenanlage zur thermischen Nutzung des Grundwassers besteht aus mindestens einem Förder- und einem Schluckbrunnen (siehe Bild 1). Bei Nutzung des oberen Grundwasserleiters kann alternativ der Schluckbrunnen durch einen Sickerschacht ersetzt werden. Die Leistung der Brunnen/des Sickerschachts muss die dauerhafte Gewinnung und Rückführung des zur Deckung des Wärme- und/oder Kühlbedarfs erforderlichen Volumenstroms gewährleisten. Bild 1. Schema einer Wärmepumpe mit Brunnenanlage Die Auslegung einer geothermischen Brunnenanlage umfasst somit folgende Schritte:

5 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 5 Ermittlung des zur Deckung des Wärme- und/ oder Kühlbedarfs erforderlichen Wasserbedarfs in m 3 /h Dimensionierung von Förder- und Schluckbrunnen/Sickerschacht zur Gewinnung und Rückführung des zu nutzenden Wassers Ermittlung des Wasserbedarfs Für die Bereitstellung von Wärme mittels Wärmepumpe ergibt sich deren stündlicher Wasserbedarf (Nenndurchfluss) nach Gleichung (1) in Abhängigkeit von der Verdampferleistung der Wärmepumpe und der Abkühlung des Grundwassers im Wärmeübertrager (Temperaturspreizung): P V = (1) T c Dabei ist V Nenndurchfluss in m 3 /h P Verdampferleistung in kw ΔT Temperaturspreizung oder -änderung des Wassers in der Wärmepumpe in K ρ c p volumetrische spezifische Wärmekapazität des Wassers in kj/(m 3 K) Der erforderliche Nenndurchfluss und die maximale Temperaturspreizung werden von den Herstellern für jede Wärmepumpe angegeben. Bei einer üblichen Temperaturspreizung in der Wärmepumpe von 3 K bis 4 K beträgt dieser zwischen 0,22 m 3 /h und 0,29 m 3 /h pro Kilowatt Verdampferleistung (siehe Tabelle 1). Tabelle 1. Erforderliche dauerhafte Brunnenleistung in m 3 /h zur Sicherstellung des geforderten Nenndurchflusses in m 3 /h in Abhängigkeit von der durch das Grundwasser bereitzustellenden Wärmeleistung in kw (entspricht der Verdampferleistung der Wärmepumpe im Heizbetrieb) und dessen Temperaturänderung in K Leistung (grundwasserseitig) in kw ρ p Temperaturspreizung ΔT in K Brunnenleistung in m 3 /h 1 0,4 0,29 0,22 0,2 4 1,7 1,1 0,9 0,7 6 2,6 1,7 1,3 1,0 8 3,4 2,3 1,7 1,4 10 4,3 2,9 2,2 1,7 20 8,6 5,7 4,3 3, ,9 8,6 6,5 5,2 Für die geothermische Kühlung mittels Brunnenanlage werden der Wasserbedarf und/oder die erforderliche Brunnenleistung analog ermittelt. Dimensionierung von Förder- und Schluckbrunnen/Sickerschacht Die Dimensionierung von Förder- und Schluckbrunnen erfolgt entsprechend den Grundlagen und Regelwerken des Brunnenbaus (z. B. DVGW W 118) unter Berücksichtigung der sich aus dem thermischen Nutzungsumfang für die Entnahme und der Wiedereinleitung des Wassers ergebenden Randbedingungen. Die Dimensionierung von Sickerschächten erfolgt in Anlehnung an DWA- A 138. Wichtiger Hinweis Die Ergiebigkeit eines Brunnens hängt von den örtlichen geologischen Gegebenheiten ab. Sie ist über Pumpversuche nachzuweisen. Große Flurabstände des Grundwassers sowie hohe Absenkungsbeträge im Betrieb führen zu großen Förderhöhen der Pumpe. Dies wirkt sich durch den größeren Pumpenenergieaufwand in der Regel negativ auf die Effizienz der Anlage aus Randbedingungen für Dimensionierung und Bau Voraussetzungen bei der Wiedereinleitung des Grundwassers Das thermisch veränderte Grundwasser muss in vollem Umfang in das Entnahme-Grundwasserstockwerk zurückgeleitet werden. Schluckbrunnen/Sickerschächte müssen ausreichend groß bemessen werden, um die gesamte geförderte Wassermenge wieder aufzunehmen. Die Schluck-/Sickerfähigkeit ist durch geeignete Auffüllversuche nachzuweisen. Eine Vernässung der Geländeoberfläche ist beim späteren Betrieb sicher auszuschließen. Die Wiedereinleitung muss in ausreichendem Abstand vom Förderbrunnen positioniert werden, möglichst im Grundwasserabstrom. In jedem Fall ist ein thermischer Kurzschluss zu vermeiden. Hierzu müssen die Grundwasserfließverhältnisse bekannt sein. Zur Vermeidung von chemischen und physikalischen Veränderungen des Grundwassers, die zu Verstopfungen im Schluckbrunnen oder Grundwasserleiter führen können, ist die Einleitung des thermisch genutzten Wassers immer unterhalb der Grundwasseroberfläche im Schluckbrunnen vorzunehmen. Hierzu muss der niedrigste Grundwasserstand bekannt sein.

6 6 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Die Temperatur des zurückgeleiteten Grundwassers darf aus anlagentechnischen Gründen (Einfrierschutz der Wärmepumpe) 4 C nicht unterschreiten. Die maximalen Einleittemperaturen sind in VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt genannt. Das in der Wärmepumpe abgekühlte Grundwasser soll auf dem Weg zum Schluckbrunnen nicht weiter abgekühlt werden, damit es nicht zum Gefrieren im Rohr oder im Schluckbrunnen kommt. Bei Sickerschächten ist zu beachten, dass sie nur dann dauerhaft funktionsfähig sind, wenn das genutzte Grundwasser chemisch geeignet ist (siehe unten) und ein Eintrag von Feststoffen, z. B. aus der Einleitung von Oberflächenwasser, ausgeschlossen werden kann. Deshalb ist für die Rückleitung aus der Wärmepumpenanlage ein eigener, nur zu diesem Zweck zu nutzender Schacht zu errichten. Förder- und Schluckbrunnen sowie Sickerschächte sollen außerhalb von Verkehrsflächen, z. B. Garageneinfahrten, positioniert werden und müssen für spätere Wartungsarbeiten zugänglich sein. Bei größeren Anlagen wird zur korrekten Anlagenauslegung (Vermeidung eines hydraulisch-thermischen Kurzschlusses, gegenseitige Beeinflussung benachbarter Anlagen usw.) vorab eine numerische, hydraulisch-thermische Grundwassermodellierung empfohlen. Grundwasserchemismus Die thermische Nutzung des Grundwassers setzt einen hierfür geeigneten Grundwasserchemismus voraus. Ein langfristig störungsfreier Betrieb der Brunnenanlage und der Wärmepumpe kann nur gewährleistet werden, wenn folgende Störeinflüsse ausgeschlossen bzw. schon bei der Planung entsprechend berücksichtigt werden: Gefahr der Verockerung Bei sauerstofffreien Grundwässern mit niedrigem Redoxpotenzial können Brunnen bei Vorhandensein von im Wasser gelösten Eisen und Mangan verockern. Je nach hydrochemischer Zusammensetzung des Grundwassers kann es dennoch möglich sein, einen störungsarmen Betrieb zu erreichen, indem der Zutritt von Umgebungsluft bis in den Schluckbrunnen vermieden wird. Dazu muss das gesamte System geschlossen sein und permanent unter Überdruck stehen. In ungünstigeren Fällen ist eine Wasseraufbereitung durch Entzug von Eisen und Mangan notwendig. Eine Einleitung in einen Sickerschacht bei nicht aufbereitetem Wasser ist nicht empfehlenswert. Gefahr der Korrosion Abhängig von der hydrochemischen Zusammensetzung des Grundwassers kann die Gefahr der Korrosion für Bauteile aus Metall oder Beton bestehen. Um die Verockerungs- und Korrosionsgefahr einschätzen und Gegenmaßnahmen rechtzeitig einplanen zu können, muss der Grundwasserchemismus bekannt sein (siehe Abschnitt 5.1.2) Kalkausfällungen infolge thermischer Nutzung spielen in dem für thermische Brunnenanlagen üblichen Temperaturbereich von 4 C bis 20 C keine Rolle, sofern das Lösungsgleichgewicht nicht (z. B. durch Entgasung von CO 2) verändert wird. Ein Versagungsgrund für die Errichtung geothermischer Brunnenanlagen kann vorliegen, wenn in ihrem Umfeld Grundwasserverunreinigungen vorhanden sind. In diesem Fall entscheidet die zuständige Genehmigungsbehörde im Rahmen einer Einzelfallprüfung über die Zulässigkeit der Brunnenanlage. Die Nutzung und Wiedereinleitung von gering belastetem Grundwasser ist in einzelnen Bundesländern bis zu den Geringfügigkeits- Schwellenwerten der Bund/Landesarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) genehmigungsfähig Planung Sachkunde Geothermische Brunnenanlagen müssen unter sachkundiger Aufsicht geplant, ausgeführt und dokumentiert werden. Bohr- und Brunnenbauarbeiten müssen von Fachbetrieben des Brunnenbauerhandwerks (Bohrunternehmen) ausgeführt werden, die die Qualifikationskriterien der DVGW W oder gleichwertig erfüllen. Bei der Bauabwicklung ist auf die Einhaltung der personellen Voraussetzungen gemäß DVGW W besonders zu achten. Zu beachtende Normen und Richtlinien Neben den Empfehlungen dieser Richtlinie sind die einschlägigen EN- und DIN-Normen zum Brunnenbau, z. B. DIN EN ISO , DIN EN ISO und DIN EN ISO sowie die einschlägigen DVGW-Arbeits- und Merkblätter, insbesondere DVGW W 115, W 116, W 118, W 123 und W 124 zu beachten. Notwendige Informationen Bei der Planung einer geothermischen Brunnenanlage müssen neben den anlagenspezifischen Parametern (insbesondere benötigte Fördermenge) auch die geologisch-hydrogeologischen Standortvoraussetzungen bekannt sein und beachtet werden.

7 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 7 Hierzu zählen: geologischer Schichtenaufbau hydrogeologische Verhältnisse, z. B. Mächtigkeit, Charakteristik, Ergiebigkeit, höchster und niedrigster Grundwasserstand, Strömungsverhältnisse und Grundwasserchemismus des zu nutzenden Grundwasserleiters Sind diese Informationen nicht bekannt, sind sie wie folgt zu beschaffen: In einer unklaren geologisch-hydrogeologischen Situation sowie bei größeren Anlagen wird eine Probebohrung empfohlen. In dieser Bohrung sind gegebenenfalls geophysikalische Untersuchungen nach DVGW W 110 durchzuführen. Die Bohrung kann danach gegebenenfalls als Förder- oder Schluckbrunnen ausgebaut und genutzt (zur Durchführung eines Pumpversuchs nach DVGW W 111 oder eines Auffüll-/Schluckversuchs) und später in die Anlage integriert werden. Ist der Grundwasserchemismus nicht oder nur unzureichend bekannt, ist vorab eine chemische Analyse des Grundwassers durch ein Fachlabor durchzuführen. Hierbei sind die Hauptwasserinhaltsstoffe (Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Natrium, Kalium, Eisen, Mangan, Nitrat, Phosphat, Sulfat, Chlorid, Hydrogencarbonat, Ammonium) zu ermitteln. Während der Probenahme sind Temperatur, ph-wert, Leitfähigkeit, Redoxpotenzial und Sauerstoffgehalt zu bestimmen. Gegebenenfalls sind weitere Parameter, z. B. absetzbare Stoffe, zu ermitteln. Auf hydrochemisch geschichtete Grundwässer ist zu achten und die Probenahme anzupassen. Aus der Kenntnis dieser Parameter kann ein Sachkundiger die Eignung des Wassers für den Einsatz von Wärmepumpen im Hinblick auf die Verockerungs- oder Korrosionsgefahr beurteilen. Hierbei sind die Normen DIN und DIN und -2 zu berücksichtigen. Zudem sind die Vorgaben der jeweiligen Wärmepumpenhersteller zu beachten. In Zweifelsfällen wird eine Abstimmung mit dem Hersteller der Wärmepumpe empfohlen. Bei Altlastenverdachtsflächen und bei Verdacht aufgrund Wasserverunreinigung ist das Grundwasser zudem auf die dort relevanten Stoffe zu analysieren. 5.2 Errichtung und Inbetriebnahme der Anlage Nach Auftragserteilung soll das Bohrunternehmen für die Vorbereitung der Bohrarbeiten alle notwendigen Unterlagen (Genehmigungen und Auflagen der zuständigen Behörden, Angaben zu den geologischen und wasserwirtschaftlichen Verhältnissen usw.) vom Auftraggeber anfordern. Die Ausführungsplanung erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber/Planer. Es sind mindestens folgende Punkte abzustimmen: Fördermenge Anzahl und Lage der Brunnen/Sickerschächte Tiefe und Durchmesser der Brunnen/Sickerschächte Art des Bohrverfahrens Ausbau der Brunnen (Brunnenvorschächte und -köpfe) und Sickerschächte bekannte geologische/hydrogeologische Risiken Das Bohrunternehmen erstellt nach Übergabe aller Unterlagen einen Plan zur Durchführung der Bohrungen und des voraussichtlichen Brunnen-/Sickerschachtausbaus. Dieser Ausführungsplan ist dem Auftraggeber und/oder dem Planer vor Beginn der Bohrarbeiten zur Bestätigung vorzulegen Bohrarbeiten Vor Beginn der Bohrarbeiten ist Folgendes zu berücksichtigen: Beachtung der umweltrelevanten Punkte nach VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 8.4 und Abschnitt 9.1 Zugänglichkeit und Platzbedarf (Baustelleneinrichtung allgemein, Baustellenfreiheit am Bohrpunkt, Transportwege usw.) empfohlener Mindestabstand von Bohrungen zu bestehenden Gebäuden: 2 m (Die Standsicherheit von Gebäuden darf nicht gefährdet werden.) Freigabe von Flächen im Hinblick auf Munitionsfreiheit Unterlagen zu Ver- und Entsorgungsleitungen, z. B. Gas, Strom, Wasser, Abwasser, Kommunikation sonstige Einschränkungen der Betriebsmöglichkeit Steht der Bohrbeginn fest, stellt die Bohrfirma einen fachkundigen Bohrmeister/Bohringenieur, bei unklarer geologischhydrogeologischer Situation zusätzlich auch einen Geologen, benennt der Auftraggeber/Planer der zuständigen Genehmigungsbehörde eine verantwortliche Person auf der Bohrstelle, zeigt die Bohrfirma den Beginn der Bohrarbeiten der zuständigen Genehmigungsbehörde ent-

8 8 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 sprechend den Vorgaben des Genehmigungsbescheids sowie dem zuständigen staatlichen Geologischen Dienst mindestens zwei Wochen vorher an. Für die Durchführung der Bohrarbeiten ist Folgendes zu beachten: Es werden nur Bohrgeräte/-verfahren eingesetzt, die für den voraussichtlich zu erwartenden Untergrund geeignet sind. Auf der Bohrstelle sind geeignete Materialien und Geräte für Sofortmaßnahmen bei Unfällen, z. B. mit Öl, und für eine sofortige vollständige Verpressung des Bohrlochs bei nicht auszuschließenden artesisch gespannten Grundwasserverhältnissen vorzuhalten. Die wasserrechtlichen Genehmigungsbescheide mit entsprechenden Auflagen und Bedingungen sind auf der Baustelle vorzuhalten und zu beachten. Für die Dokumentation der angetroffenen Untergrundverhältnisse ist eine regelmäßige, fachgerechte Entnahme von Bohrproben notwendig. Bohrproben sind mindestens alle 2 m und bei jedem Schichtenwechsel zu entnehmen, in geeigneten Behältnissen zu lagern, zu beschriften und zu Beweiszwecken mindestens bis zwei Monate nach Übersendung der Schichtenverzeichnisse an den jeweiligen Geologischen Dienst aufzubewahren. Die Proben sind die Grundlage für die Erstellung des geologischen Schichtenverzeichnisses gemäß DIN EN ISO Zusätzlich sind in der Dokumentation folgende Angaben zu den Arbeiten zu machen: Spülungsverluste, Hohlräume, Gasaustritte, bei Trockenbohrverfahren gegebenenfalls Grundwasserstände und/oder Veränderungen der Wasserspiegellage, bei Imlochhammer-Bohrverfahren gegebenenfalls tiefenbezogene Angaben zu gefördertem Grundwasser sowie sonstige Vorkommnisse. Während der Bohrarbeiten ist sorgfältig darauf zu achten, dass der Umgang mit wassergefährdenden Stoffen zu keiner Grundwasserverunreinigung führt. Wird eine Bohrspülung verwendet, ist möglichst nur reines Wasser ohne Spülungszusätze und/oder Druckluft (bei Zusatz von Schmieröl für den Hammer muss dieses biologisch abbaubar sein) zu verwenden. Ist der Gebrauch von Spülungszusätzen unverzichtbar, so ist er auf ein Mindestmaß zu beschränken. Damit es zu keiner schädlichen Verunreinigung des Grundwassers kommt, muss das Wasser zum Anmischen und Ergänzen der Bohrspülung Trinkwasserqualität haben, zudem sind die Vorgaben der DVGW W 116 zu beachten. Mit Zusätzen versehene Bohrspülungen sind nach Abschluss der Bohrarbeiten aus dem Bohrloch zu entfernen und ordnungsgemäß zu entsorgen. In Gebieten, in denen aufgrund hoher Wasserdurchlässigkeiten (z. B. grobe Schotter und Kiese, stark verkarstetes Festgestein) mit nicht zu kontrollierenden Bohrspülungsverlusten und gleichzeitig ausbleibendem Bohrgutaustrag zu rechnen ist, ist ein hierfür besser geeignetes Bohrverfahren, z. B. Trockenbohrung mit Verrohrung, zu wählen. Werden andere als die im Genehmigungsverfahren angenommenen geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse angetroffen, so ist dies umgehend der Genehmigungsbehörde mitzuteilen und das weitere Vorgehen mit ihr abzustimmen. Dies ist z. B. der Fall, wenn stark oder artesisch gespanntes Grundwasser angetroffen wird, Gas austritt, Spülungsverluste mehr als 1 l/s betragen oder eine Boden- oder Grundwasserverunreinigung angetroffen wird. Das anfallende Bohrgut ist ordnungsgemäß zu entsorgen, näheres siehe DIN Anforderungen an die zu verwendenden Materialien Es wird empfohlen Materialien gemäß DVGW W 123 zu verwenden und die dort aufgeführten Normen und Vorschriften zu beachten. Zu grundsätzlichen Anforderungen siehe VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt Brunnenausbau, Brunnenentwicklung und Anschlussarbeiten Auf Grundlage der Bohrungsdokumentation (Schichtenverzeichnis gemäß DIN EN ISO einschließlich der oben genannten zusätzlichen Angaben, z. B. Spülungsverluste, Hohlräume) sowie der durch Siebkornanalysen ermittelten hydraulischen und der hydrochemischen Parameter wird der endgültige Brunnenausbau (gegebenenfalls Sickerschachtbau) in Abstimmung mit dem Auftraggeber/Planer unter Beachtung der einschlägigen Regelwerke (insbesondere des DVGW) festgelegt. Positionierung, Länge der Filterstrecke, Wahl des Filterkieses und der Filteröffnungen sind aufeinander und auf den Grundwasserleiter und seine Eigenschaften unter Beachtung der einschlägigen Regelwerke abzustimmen. Nach endgültigem Ausbau sind die Brunnen bis zur technischen Sandfreiheit (DVGW W 119) zu entwickeln und ein abschließender Pumpversuch/

9 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 9 Auffüllversuch sowie gegebenenfalls eine Kamerabefahrung durchzuführen. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit wird empfohlen, im Förderbrunnen Unterwasserpumpen in korrosionsfester Ausführung einzusetzen. Sowohl für Förder- als auch für Schluckbrunnen sind in der Regel Brunnenvorschächte erforderlich, die gegen einen Zutritt von Oberflächenwasser durch einen dicht schließenden Deckel zu schützen sind. Diese sollten in Anlehnung an die DVGW W 122 erstellt werden. Ebenso ist der Brunnenkopf dicht herzustellen. Die Ergebnisse sind zu dokumentieren und dienen als Nachweis der Leistungsfähigkeit und des ordnungsgemäßen Baus der Brunnenanlage Verlegung der Leitungen Rohrleitungen und Armaturen Das geförderte Grundwasser sollte nicht mit Luft in Kontakt kommen, sodass die hydrochemischen Verhältnisse konstant bleiben und damit eine nachhaltige Aufnahmefähigkeit des Schluckbrunnens sichergestellt werden kann. Zudem soll es auf dem Weg vom Förderbrunnen zur Wärmepumpe möglichst wenig abkühlen, um eine ausreichende Wärmequellentemperatur sicherzustellen. Hierfür ist darauf zu achten, dass Rohrleitungen zwischen Förderbrunnen, Gebäuden und Schluckbrunnen in ausreichender, frostsicherer Tiefe verlegt oder, falls das nicht möglich ist, gedämmt werden. Die Rohrleitungen und Armaturen sind gemäß den Vorschriften für Erdwärmekollektoren (siehe Abschnitt 6.2) auszuführen. Leitungen im Mauerwerk und in Gebäuden müssen entsprechend DIN 4140 gedämmt werden. Vor der Wärmepumpenanlage muss ein Schmutzfänger oder Filter entsprechend der Vorgabe des Wärmepumpenherstellers eingebaut werden. Pumpe Zu groß dimensionierte Förderpumpen beeinträchtigen die Effizienz, zu kleine gefährden die Funktionsfähigkeit der Anlage. Daher ist auf eine den hydrogeologischen Gegebenheiten und den Anforderungen der Anlage angepasste Auslegung der Pumpe zu achten Abnahme der Brunnenanlage und Dokumentation Abnahme der Brunnenanlage Die Abnahme der Brunnenanlage hat in Anlehnung an DVGW W 124 zu erfolgen. Zum Nachweis der geforderten Ergiebigkeit/Förderleistung ist ein Leistungspumpversuch durchzuführen. Im Anschluss an den Pumpversuch ist eine Grundwasseranalyse (siehe Abschnitt 5.1.2) zu veranlassen. Erdverlegte Rohrleitungen sind abschnittsweise auf Dichtheit zu prüfen. Vor Anschluss der Wärmepumpe sind die Rohrleitungen durchzuspülen. Dokumentation Nach Abschluss der Bohr- und Brunnenbauarbeiten ist eine Anlagendokumentation, bestehend aus Fachunternehmererklärung in Anlehnung an EnEV 2014, Lageplan mit eingemessenen Bohrpunkten sowie Darstellung der Leitungsführung, geologischem Schichtenverzeichnis gemäß DIN EN ISO für jeden Brunnen, Baustellenjournal mit zeichnerischem Ausbauplan zu Brunnen (nach DIN 4943), Lage der Pumpe und Abschlussbauwerk zu jedem Einzelbrunnen, Angaben zu Wasserständen, Spülungsverlusten, bohrtechnischen Besonderheiten usw., Protokoll der Brunnenentwicklung/Entsandungsmaßnahmen, Pump- und Auffüllversuchsprotokolle einschließlich Auswertung, gegebenenfalls Ergebnisse von Siebkornanalysen sowie Ergebnis der chemischen Wasseranalysen, an den Bauherren zu übergeben. Eine Fotodokumentation wird empfohlen Anlagenbetrieb Der Betrieb der Brunnenanlage muss entsprechend der Planung und Auslegung sowie den allgemeinen und speziellen genehmigungsrechtlichen Vorgaben erfolgen. Insbesondere bei Änderungen des Heizund/oder Kühlbedarfs, die zu einer Erhöhung des Wasserbedarfs führen, muss die Auslegung der Brunnenanlage bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit und ihrer geohydraulischen Auswirkung überprüft werden. Die Betreiber der Anlagen sind in die Bedienung, die Wartung und das Verhalten im Störfall vom Anlagenersteller einzuweisen. Der technische Zustand der Brunnenbauwerke/des Sickerschachts und der Pumpe sowie die Beschaffenheit des Grundwassers sollten folgenden regelmäßigen Kontrollen unterzogen werden: Sichtprüfung der Brunnenvorschächte/des Sickerschachts einschließlich der Installationen, z. B. Brunnenkopf, Rohrleitungen und Armaturen

10 10 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Kontrolle und Wartung von Schmutzfängern/ Filtern Messung der Betriebs- und Ruhewasserspiegel in Förder- und Schluckbrunnen oder des Wasserstands im Sickerschacht zur Überprüfung der hydraulischen Leistungsfähigkeit der Anlage (Messwerte sollten dokumentiert werden.) Überprüfung der Pumpenleistung Vergleich des jährlichen Wasserverbrauchs Überwachung der Beschaffenheit und der Temperatur des Rohwassers und gegebenenfalls dessen Sandgehalt Zur Überprüfung des baulichen Zustands der Brunnen großer Anlagen können wiederkehrende Kamerabefahrungen und geophysikalische Messverfahren, z. B. Flowmeter, sinnvoll sein. Zeigen Förder- und Schluckbrunnen Leistungsrückgänge, ist die Ursache zu ermitteln und gegebenenfalls eine Regenerierung der Brunnen gemäß DVGW W 130 durchzuführen. Bei einer Leckage im Kältemittelkreislauf oder im Wärmeübertrager muss die Wärmepumpe (einschließlich Wasserförderung) automatisch abgeschaltet werden (siehe DIN 8901) Stilllegung der Brunnenanlage Bei der Stilllegung sind die Brunnen und gegebenenfalls die Sickerschächte in Abstimmung mit den Genehmigungsbehörden fachgerecht zu verfüllen, gegebenenfalls sind zuvor Teile des Ausbaus, z. B. Verrohrung, Schachtbauwerk, Steigleitung, Förderpumpe, elektrische Armaturen, zu entfernen. Das DVGW W 135 ist zu beachten. 6 Nutzung des oberflächennahen Untergrunds mit Erdwärmekollektoren Erdwärmekollektoren entnehmen dem Untergrund bis in ca. 5 m Tiefe unter der freien Erdoberfläche saisonal gespeicherte Energie. Es wird insbesondere der Phasenwechsel flüssig/fest des im Boden befindlichen Wassers als Latentwärmespeicher im Winter ausgenutzt. Die maximale Entzugsleistung und die Jahresentzugsarbeit werden durch die Speicherkapazität, die Wärmetransporteigenschaften und die thermische Regeneration des Untergrunds sowie die Kollektorgeometrie und die Betriebsweise der Anlage begrenzt. Hinsichtlich des Bodens ist dabei der Wassergehalt ein wesentlicher Einflussfaktor. Erdwärmekollektoren werden entweder indirekt mithilfe eines Solekreislaufs an die Wärmepumpe angeschlossen oder können direkt als Verdampfer für das Kältemittel der Wärmepumpe Teil des Kältekreislaufs sein (Direktverdampfung). Erdwärmekollektoren für Direktverdampfung haben andere technische Anforderungen und werden in Abschnitt 8 behandelt. Die Ausführungen in diesem Abschnitt beziehen sich auf solebetriebene Kollektoren, die aus PE-Rohren bestehen und in verschiedensten Geometrien im Untergrund verlegt werden können. Bild 2 zeigt das Schema einer Wärmepumpe mit Erdwärmekollektor. Maßgebend für die Leistungsfähigkeit von Erdwärmekollektoren ist die Ankopplung an die Erdoberfläche, da Erdwärmekollektoren im Frühjahr und Sommer vom Wärmeeintrag durch Außenluft, Solarstrahlung und Niederschläge regeneriert werden. Die im Folgenden genannten Auslegungsrichtwerte und Einsatzgrenzen gelten deshalb ausschließlich für nicht überbaute Erdwärmekollektoren, die vom natürlichen Boden bedeckt werden. Angaben zu Wärmeentzugsleistungen von kompakten Erdwärmekollektoren, z. B. Spiral- oder Grabenkollektoren, finden sich in Abschnitt 9.4. Wärmeentzugsleistungen für andere Formen von Erdreichwärmeübertragern, z. B. mehrlagige Erdwärmekollektoren, bedürfen stets einer gesonderten Betrachtung und werden hier nicht dargestellt. Bild 2. Schema einer Wärmepumpe mit Erdwärmekollektor 6.1 Auslegung horizontaler Erdwärmekollektoren Die Auslegung von Anlagen zur Nutzung oberflächennaher Geothermie für Wärmepumpen orientiert sich grundsätzlich an der maximalen Verdampferleistung der Wärmepumpe sowie der durch diese dem Untergrund entzogenen Leistung und Energie und damit nicht direkt an der Heizlast des Gebäudes oder dessen Wärmeenergiebedarf. Eine etwaige Trinkwassererwärmung muss bereits bei

11 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 11 der Auslegung der Wärmepumpe berücksichtigt werden (siehe Abschnitt 11) und somit in deren Verdampferleistung und Entzugsarbeit enthalten sein. Für erdgekoppelte Wärmepumpen kann bei Erdwärmekollektoren in einfachen Fällen, z. B. Einfamilienhäusern mit Jahresvolllaststunden der Wärmepumpe im Bereich von 1500 h/a bis 2400 h/a in reinem Heizbetrieb oder im Heizbetrieb mit einer anteiligen Trinkwassererwärmung, mit flächenspezifischen Angaben für die Wärmeentzugsleistungen in W/m 2 sowie jährlichen Entzugsenergien in kwh/(m 2 a) gerechnet werden Einflussparameter auf die Auslegung von Erdwärmekollektoren Das Jahresmittel der Umgebungstemperatur, der tiefste Monatsmittelwert sowie der Wassergehalt des Bodens haben einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Kollektorsystemen. Durch den Wassergehalt des Bodens werden dessen Wärmeleitfähigkeit und die sensible und latente Wärmekapazität bedeutend beeinflusst. Die hydraulischen Eigenschaften des Bodens werden hauptsächlich durch die Korngrößenverteilung des Feinbodens und damit der Bodenart bestimmt. Die Materialien, aus denen die einzelnen Bodenkörner bestehen, spielen nur eine untergeordnete Rolle. Je grobkörniger ein Boden beschaffen ist, desto höher ist dessen hydraulische Leitfähigkeit und desto niedriger dessen Kapillarwirkung. Das Niederschlagswasser kann somit schnell in tiefere Erdschichten versickern, wobei sich der Wassergehalt in Kollektortiefe nur kurzzeitig etwas erhöht. Bei bindigen Böden ist die hydraulische Leitfähigkeit deutlich kleiner und die Kapillarwirkung größer. Das Niederschlagswasser versickert daher nur äußerst langsam, wodurch der im Boden anzutreffende Wassergehalt auch lange nach einem Niederschlag auf einem hohen Niveau bleibt. In wassergesättigten Böden kann der Kollektor unabhängig von der tatsächlichen Bodenart wie bei einem sandigen Ton ausgelegt werden. Bei einem Untergrund mit guten Versickerungseigenschaften kann der Wärmetransport zu einem Erdwärmekollektor durch ein darüberliegendes Regenwasserversickerungssystem lediglich zeitweilig verbessert werden. In der Auslegung darf dies daher nicht berücksichtigt werden Allgemeingeltende Auslegungsrichtlinien Zur Gewährleistung einer minimalen Temperatur der vom Erdwärmekollektor zur Wärmepumpe zurückkehrenden Sole von 5 C sowie zur Vermeidung von Hebungen und Setzungen an der Erdoberfläche muss der Rohrabstand auf die Entzugsleistung und die Entzugsenergie abgestimmt werden. Um die Versickerung von Schmelz- und Niederschlagswasser ganzjährig zu gewährleisten, muss der Rohrabstand so groß gewählt werden, dass die Eisradien nicht zusammenwachsen. Bei den üblichen Kunststoffrohren ist ab einer Reynoldszahl Re 2300 mit einer turbulenten Strömung zu rechnen, wobei erst ab Re mit Sicherheit eine turbulente Strömung vorliegt. Im Übergangsbereich 2300 Re wird die Strömungsform durch die Art der Zuströmung und den Rohreinlauf beeinflusst. Um dies zu erreichen, ist z. B. bei einer 25%igen Ethylenglykol-Wasser- Sole und 100 m Rohrlänge eine Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf von ΔT 2,5 K bzw. bei einer Spreizung von 3 K eine Rohrlänge von ca. 125 m notwendig Auslegungsrichtlinien für horizontale Erdwärmekollektoren Die nachfolgenden Auslegungswerte sind das Ergebnis rechnerischer Optimierungen, die auf einer Dissertation basieren [1]. Hierbei wurden die maximale flächenspezifische Entzugsleistung (W/m 2 ) und die maximale flächenspezifische Jahresentzugsarbeit in kwh/(m 2 a) sowie die zugehörigen Rohrabstände abhängig von der Bodenart und der Klimazone bestimmt, bei der weder die Umwelt negativ beeinflusst noch die Wärmepumpenanlage beschädigt wird. Bei der Auslegung einzuhalten sind jeweils beide Werte, die abhängig von der Klimazone in der Tabelle 2 dargestellt sind. Die Einteilung Deutschlands in 15 Klimazonen (siehe Bild 3) stimmt mit DIN 4710 überein.

12 12 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Bild 3. Karte Einteilung der Bundesrepublik Deutschland in 15 Klimazonen für die Belange der Heiz- und Raumlufttechnik (Zonenkarte) (DIN 4710: ) Die Werte in Tabelle 2 dienen als Orientierung für die planerische Bearbeitung der Entzugsleistungen und Entzugsarbeit von Erdwärmekollektoren unter Berücksichtigung der nachfolgend aufgeführten Auslegungsbedingungen: Die Heizlast wurde linear ansteigend von der Heizgrenztemperatur bis zur Normaußentemperatur entsprechend der DIN EN angenommen. Das angenommene Lastprofil entspricht somit in etwa einem Neubau nach der Energieeinsparverordnung (EnEV). Die in Tabelle 2 dargestellten optimalen Rohrabstände wurden durch Simulationsrechnungen ermittelt und sollen als Zielgröße für die Realisierung angesehen werden. Die in Tabelle 2 dargestellte maximale flächenspezifische Entzugsleistung basiert auf einem Kollektorrohr 32 mm 2,9 mm mit turbulenter Durchströmung. Bei laminarer Durchströmung ist die maximale Entzugsleistung um ca. 10 % und der dafür notwendige Rohrabstand um ca. 20 % geringer als in Tabelle 2 angegeben. Bei kleineren Rohrquerschnitten ist von einer lami-

13 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 13 naren Strömung im Rohr auszugehen, da turbulente Strömung mit einem hohen Druckverlust verbunden ist. Bei der Einbettung der Kollektorrohre in das vorhandene Bodenmaterial gilt: Werden die Kollektorrohre eingesandet, liegen die Maximalwerte der flächenspezifischen Entzugsleistung und Entzugsarbeit zwischen den Werten des jeweiligen Bodens und denen von Sand. Ebenso sind für den Rohrabstand Zwischenwerte zwischen der vorhandenen Bodenart und einem Sandboden zu wählen. Bei der Bestimmung der maximalen Entzugsleistung wurde jeweils ein Beispielgebäude mit einer Heizgrenztemperatur von 12 C zu Grunde gelegt. Wie aus Tabelle 2 für die Klimazone 11 (Fichtelberg) ersichtlich ist, sind die flächenspezifischen Entzugsleistungen in Höhen ab 1000 m über NN sehr gering, was im Wesentlichen auf die niedrige Jahresmitteltemperatur und die lange Frostperiode zurückzuführen ist. Damit ist diese Technik an solchen Standorten aus wirtschaftlichen Gründen nicht zu empfehlen. Die in Tabelle 2 wiedergegebenen Werte sind für die Gesteinseigenschaften der Tabelle 3 berechnet. Tabelle 2. Horizontale Erdwärmekollektoren, Maximalwerte der flächenspezifischen Entzugsleistung und Entzugsarbeit für PE-Rohr 32 mm 2,9 mm Klimazonen Entzugsleistung in W/m 2 Sand Lehm Schluff Sandiger Ton Entzugsarbeit in kwh/a Volllaststunden in h/a Rohrabstand in m Klimazone 1 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,2 0,3 0,45 0,55 0,45 0,55 0,45 0,55 Klimazone 2 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,3 0,4 0,5 0,6 0,55 0,65 0,55 0,65 Klimazone 3 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,25 0,35 0,45 0,55 0,45-0,55 0,45 0,55 Klimazone 4 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,25 0,35 0,5 0,6 0,5 0,6 0,5 0,6 Klimazone 5 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,2 0,3 0,4 0,5 0,4 0,5 0,4 0,5 Klimazone 6 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,5 0,6 0,6 0,7 0,6 0,7 0,6 0,7 Klimazone 7 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,2 0,3 0,45 0,55 0,45 0,55 0,45 0,55

14 14 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Tabelle 2. Horizontale Erdwärmekollektoren, Maximalwerte der flächenspezifischen Entzugsleistung und Entzugsarbeit für PE-Rohr 32 mm 2,9 mm (Fortsetzung) Klimazonen Entzugsleistung in W/m 2 Entzugsarbeit in kwh/a Volllaststunden in h/a Rohrabstand in m Sand Lehm Schluff Sandiger Ton Klimazone 8 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,6 0,7 0,65 0,75 0,65 0,75 0,65 0,75 Klimazone 9 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,4 0,5 0,55 0,65 0,55 0,65 0,55 0,65 Klimazone 10 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,5 0,6 0,65 0,75 0,65 0,75 0,65 0,75 Klimazone 11 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,3 0,7 0,3 0,7 0,3 0,7 0,3 0,7 Klimazone 12 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,2 0,3 0,35 0,45 0,4 0,5 0,4 0,5 Klimazone 13 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,5 0,6 0,6 0,7 0,6 0,7 0,6 0,7 Klimazone 14 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,6 0,7 0,6 0,7 0,6 0,7 0,6 0,7 Klimazone 15 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,6 0,7 0,6 0,7 0,6 0,7 0,6 0,7 Tabelle 3. Gesteinseigenschaften Eigenschaften Sand Lehm Schluff Sandiger Ton Wassergehalt in % Volumenanteil Wärmeleitfähigkeit in W/(m K) < ,2 1,5 1,5 1,8

15 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 15 Zahlenbeispiel zur Auslegung eines horizontalen Erdwärmekollektors nach Tabelle 2: Ein Gebäude soll von einer erdgekoppelten Wärmepumpe versorgt werden. Gegeben sind die folgenden Daten: Standort: Klimazone 13 Bodenart: Lehm maximale Vorlauftemperatur des Heizungssystems: 35 C Heizleistung der erdgekoppelten Wärmepumpe im zugehörigen Nennbetriebspunkt B0/W35: 8 kw Leistungszahl im Nennbetriebspunkt COP: 4,2 Verdampferleistung im Nennbetriebspunkt: 6,1 kw jährlich zu liefernde Wärmeenergie (Raumheizung und gegebenenfalls Trinkwassererwärmung): kwh/a berechnete Jahresarbeitszahl der Wärmepumpenanlage (nach VDI 4650 Blatt 1) SCOP: 4,0 Nach Tabelle 2 gilt für einen horizontalen Erdwärmekollektor (EWK) in Klimazone 13: maximale flächenspezifische Entzugsleistung: 25 W/m 2 EWK maximale flächenspezifische Entzugsenergie (geothermische Ergiebigkeit): 45 kwh/(m 2 EWK a) Die Kollektorfläche ist so zu bemessen, dass beide vorstehenden Grenzwerte eingehalten werden: 1. Mindestfläche aus Entzugsleistung (Verdampferleistung) 6,1kW 2 = 244 m 2 25 W/m EWK 2. Mindestfläche aus Entzugsenergie SCOP kwh/a SCOP =266,7 m 2 45kWh / (m a) EWK Da im vorliegenden Fall die Anlage mit (kwh/a)/8 kw = 2000 h/a eine größere Vollbenutzungsstundenzahl aufweist als mit 1800 h/a in Tabelle 2 für die betreffende Klimazone angesetzt, bestimmt sich die erforderliche Kollektorfläche aus der maximalen spezifischen Entzugsenergie zu 266,7 m 2. Wären für die Anlage nur 1800 Vollbenutzungsstunden pro Jahr anzusetzen, ergäben sich aus der 2. Bedingung lediglich 240 m 2, sodass das Leistungskriterium (1.) mit 244 m 2 maßgebend wäre. Wird entsprechend Tabelle 2 ein Rohrabstand von 0,65 m gewählt, so beträgt die insgesamt im Erdwärmekollektor zu verlegende Rohrlänge maximal 266,7 m 2 /0,6 m = 444 m (mindestens 266,7 m 2 /0,7 = 380 m). Als Startwert für die hydraulische Auslegung können in diesem Fall z. B. vier Kreise mit je ca. 100 m Rohrlänge gewählt werden. Kapillarrohrmatten Tabelle 4 enthält für Kapillarrohrmatten Werte der maximalen flächenspezifischen Entzugsleistung (W/m 2 ) und der maximalen flächenspezifischen Jahresentzugsarbeit in kwh/(m 2 a), die mit derselben Methode und denselben Randbedingungen ermittelt wurden, wie die oben genannten Werte für Erdwärmekollektoren aus Einzelrohren. 2 Tabelle 4. Horizontale Erdwärmekollektoren, Maximalwerte der flächenspezifischen Entzugsleistung und Entzugsarbeit für Kapillarrohrmatten Klimazone Entzugsleistung in W/m 2 Sand Lehm Schluff Sandiger Ton Entzugsarbeit in kwh/a Volllaststunden in h/a Rohrabstand in m Klimazone 1 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,25 0,4 0,6 0,75 0,7 0,85 0,65 0,8 Klimazone 2 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,15 0,3 0,6 0,75 0,7 0,85 0,65 0,8 Klimazone 3 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,2 0,35 0,6 0,75 0,7 0,85 0,65 0,8

16 16 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Tabelle 4. Horizontale Erdwärmekollektoren, Maximalwerte der flächenspezifischen Entzugsleistung und Entzugsarbeit für Kapillarrohrmatten (Fortsetzung) Klimazone Entzugsleistung in W/m 2 Entzugsarbeit in kwh/a Volllaststunden in h/a Rohrabstand in m Sand Lehm Schluff Sandiger Ton Klimazone 4 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,3 0,4 0,65 0,8 0,75 0,9 0,7 0,85 Klimazone 5 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,05 0,2 0,55 0,7 0,65 0,8 0,6 0,75 Klimazone 6 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,2 0,35 0,65 0,8 0,75 0,85 0,65 0,8 Klimazone 7 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,2 0,35 0,6 0,75 0,7 0,85 0,65 0,8 Klimazone 8 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,15 0,25 0,65 0,8 0,75 0,85 0,65 0,75 Klimazone 9 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,15 0,3 0,6 0,75 0,7 0,85 0,65 0,8 Klimazone 10 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,15 0,3 0,65 0,8 0,75 0,85 0,7 0,8 Klimazone 11 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,1 0,2 0,1 0,2 0,1 0,2 0,1 0,2 Klimazone 12 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,25 0,35 0,65 0,8 0,75 0,85 0,7 0,8 Klimazone 13 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,3 0,45 0,65 0,8 0,75 0,9 0,7 0,85

17 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 17 Tabelle 4. Horizontale Erdwärmekollektoren, Maximalwerte der flächenspezifischen Entzugsleistung und Entzugsarbeit für Kapillarrohrmatten (Fortsetzung) Klimazone Entzugsleistung in W/m 2 Entzugsarbeit in kwh/a Volllaststunden in h/a Rohrabstand in m Sand Lehm Schluff Sandiger Ton Klimazone 14 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,2 0,35 0,65 0,8 0,75 0,9 0,65 0,8 Klimazone 15 Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Rohrabstand 0,25 0,4 0,65 0,8 0,75 0,9 0,7 0,8 6.2 Installation Allgemeine Hinweise: Erdwärmekollektoren dürfen nicht überbaut werden. Die Oberfläche über Erdwärmekollektoren darf nicht versiegelt werden. Die Anlagen sind unter Umständen nach Wasserrecht genehmigungspflichtig (siehe VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 5). Hinweise zu geeigneten Materialien siehe Abschnitt 12 Grenzabstände sind zu berücksichtigen (siehe VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 7.2). Die Einbautiefe von Erdwärmekollektoren soll ca. 1,2 m bis 1,5 m betragen, mindestens jedoch 30 cm unter Frosttiefe liegen. In größeren Tiefen ist zwar die Erdreichtemperatur insbesondere im Winter höher, allerdings ist dort die Ankopplung an die Erdoberfläche und damit die Regeneration schwächer. Ebenso werden die Grabarbeiten aufwendiger, sodass größere Verlegetiefen in der Regel nicht sinnvoll sind Erdarbeiten Der Aufbau der Kollektoren kann in Einzelgräben geschehen, um großflächige Zerstörungen des gewachsenen Bodens zu vermeiden. Eine weitere Möglichkeit ist das ganzflächige Abtragen des Untergrunds für den Kollektor. Um bei Rohren aus PE-100 eine Beschädigung beim Verfüllen und Verdichten vorzubeugen, ist das Kollektorrohr ca. 20 cm in steinfreien Boden einzubetten. Bei Rohren aus vernetztem Polyethylen und PE 100/RC kann darauf verzichtet werden, sofern die Vorgaben von DVGW W eingehalten werden. Etwa 30 cm oberhalb der Rohre ist ein Warnband einzulegen. Entsprechend der späteren Oberflächennutzung ist der Untergrund gemäß den allgemeinen Richtlinien, z. B. DVGW W 400-2, DIN EN 1610, zu verdichten Anforderungen an die verwendeten Materialien Wegen der Tauwasserbildung müssen alle Bauteile der Erdwärmenutzungsanlage korrosionssicher sein. Freiliegende Rohrleitungen und Geräte sind UV-beständig auszuführen. Bereits bei der Materialauswahl sind eine spätere Stilllegung und die damit verbundene Entsorgung zu berücksichtigen. Außerhalb von zugänglichen Schächten sind alle Verbindungen unlösbar und stoffschlüssig auszuführen. Die Wärmeübertragerrohre müssen in korrosionssicheren Ausführungen eingebaut werden. Für PE- Materialien sind im Untergrund grundsätzlich nur Schweißverbindungen einzusetzen. Ausgenommen bei PE-X sind auch unlösbare Pressverbindungen zulässig. Sofern diese Verbindungen aus Metall sind, müssen sie zusätzlich vor Korrosion geschützt werden, z. B. durch Überschrumpfen mit einem Schrumpfschlauch mit Kleber. Die Rohre müssen für den geplanten Temperaturbereich geeignet sein. Die eingesetzten Materialien müssen den Vorgaben im Abschnitt 12 entsprechen Verlegung der Leitungen Die Wärmeübertragerrohre sollen in gleich langen, parallel geschalteten Kreisen verlegt werden. Die Verlegung der horizontalen Anschlussleitungen muss entsprechend den Vorgaben für die verwendeten Rohrmaterialien erfolgen. Grundsätzlich ist DVGW W zu beachten. Hinsichtlich der zulässigen Biegeradien, der Bettung der Rohrleitungen und der Verarbeitung beim Schweißen sind die Verlegerichtlinien der Hersteller zu berücksichtigen.

18 18 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Bei Anlagen mit reinem Wasser als Wärmeträgermedium hat die Verlegung frostsicher zu erfolgen. Es ist eine zuverlässige Entlüftungsmöglichkeit (bevorzugt am höchsten Punkt) auch während des Betriebs der Anlage vorzusehen. Zur Spülung, Entlüftung und Einregulierung ist jeder Kreis mit einer Absperreinrichtung im Vor- und Rücklauf auszurüsten. Die einzelnen Wärmeübertragerkreise müssen gleichmäßig durchströmt werden. Zur Minimierung des Dämmaufwands sollten möglichst viele Bauteile außerhalb des Gebäudes installiert werden. Für die Ausführung von Anbindeleitungen und Verteiler siehe Abschnitt Druckabsicherung Die Volumenänderung des Wärmeträgermediums ist durch geeignete Maßnahmen auszugleichen. Soleanlagen sind als geschlossenes System mit geeigneter Druckabsicherung auszuführen. Die Volumenänderung des Wärmeträgermediums ist durch die Installation eines Membranausdehnungsgefäßes nach DIN mit einem minimalen Vordruck von 1 bar auszugleichen. Der Betriebsdruck liegt 0,5 bar bis 0,9 bar über dem Vordruck. Zur Sicherung gegen Überfüllung ist ein bauteilgeprüftes Membransicherheitsventil einzubauen. Die Ausblasleitung dieses Sicherheitsventils muss in einer Auffangwanne enden (siehe DIN EN 12828). Zur Drucküberwachung ist ein Manometer mit Minimal- und Maximaldruckkennzeichnung vorzusehen. Wird die Anlage zum Heizen und Kühlen verwendet, ist das Ausdehnungsgefäß nach dem Kühlfall auszulegen und zu berechnen. Eine Lecküberwachung mit Störmeldung und Sicherheitsabschaltung sollte vorgesehen werden, um den Austritt des Wärmeträgermediums weitestgehend zu verhindern, soweit sie nicht über die Sicherheitsfunktionen der Wärmepumpen abgedeckt sind Füllen und Entlüften Die Befüllung der Kollektoranlage darf nur mit vorgemischtem Wärmeträgermedium vorgenommen werden. Das Wärmeträgermedium ist ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (siehe auch VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 9.2). Das Mischungsverhältnis sollte, falls vom Wärmepumpenhersteller nicht anders vorgegeben, so eingestellt werden, dass der Gefrierpunkt mindestens 5 K unter der vorgesehenen minimalen Verdampfungstemperatur liegt. Bei richtiger Dimensionierung der Erdwärmeanlage beträgt dieser Wert ca. 14 C. Es ist darauf zu achten, dass das Klarwasser aus dem Durchspülen der Anlage vollständig durch die Frostschutzmischung ersetzt wird. Die einzelnen Kollektorkreise sind einzeln bis zur vollständigen Luftfreiheit über ein offenes Gefäß zu spülen. Abschließend muss die Konzentration des Frostschutzes nachgewiesen und in der Dokumentation protokolliert werden. Wegen möglicher Ausgasungen wird empfohlen, im ersten Betriebsjahr die Soleanlage durch die vorgesehenen Entlüftungseinrichtungen zu entlüften und gegebenenfalls nachzufüllen Inbetriebnahme Vor der Inbetriebnahme ist das Gesamtsystem einer Druck- und Durchflussprüfung nach Abschnitt zu unterziehen. Die Prüfbescheinigung ist dem Betreiber auszuhändigen. Die Funktion aller Bauteile ist zu überprüfen. Die gleichmäßige Durchströmung der einzelnen Kollektorkreise ist zu überprüfen, gegebenenfalls nachzuregulieren und zu protokollieren. Die Betreiber der Anlagen sind in die Bedienung, die Wartung und das Verhalten im Störfall einzuweisen. Im Abschnitt 13 wird das Verhalten im Störfall ausführlich beschrieben Abschluss der Arbeiten, Dokumentation Nach Abschluss der Arbeiten ist eine Anlagendokumentation, bestehend aus Fachunternehmererklärung in Anlehnung an EnEV 2014, Baustellenjournal mit zeichnerischem Ausbauplan (Verlegeplan), Lageplan mit Darstellung der eingemessenen Lage des Kollektors und der Leitungsführung sowie Protokollen der Dichtheits- und Durchflussprüfung, an den Bauherrn zu übergeben. Eine Fotodokumentation wird empfohlen. 7 Nutzung des Untergrunds mit Erdwärmesonden Erdwärmesonden zur Nutzung oberflächennaher Geothermie werden in Bohrungen mit Tiefen von meist weniger als 100 m, teils aber auch von über 200 m Tiefe eingebaut. In Deutschland gelten für Bohrungen, die mehr als 100 m in den Boden eindringen sollen, Regelungen des Bundesberggesetzes (BbergG), siehe VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 5.2. Erdwärmesonden mit mehr als 400 m Tiefe werden in dieser Richtlinie nicht behandelt.

19 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 19 Der häufigste Sondentyp, die Doppel-U-Sonde, besteht aus paarweise gebündelten U-förmigen Rohrschleifen. Seltener sind die aus nur einer Rohschleife bestehenden Einfach-U-Sonden und die aus Innen- und Außenrohr bestehenden Koaxialsonden. Als Rohrmaterial kommen fast ausschließlich die Kunststoffe PE 100, PE 100-RC und PE-X zum Einsatz. Aus dem Bild 4 ist das Schema einer Wärmepumpe mit Erdwärmesonden zu ersehen. Bild 4. Schema einer Wärmepumpe mit Erdwärmesonden 7.1 Auslegung Generelles Ziel der Auslegung ist die Bereitstellung der benötigten Energien und Leistungen und dabei die Einhaltung gegebener Temperaturgrenzen in der Erdwärmesondenanlage über einen vorgesehenen Betriebszeitraum. Die Wärmeübertragung in einer Erdwärmesonde hängt vom effektiven thermischen Bohrlochwiderstand R b ab. Dieser beschreibt den Zusammenhang zwischen der entnommenen oder zugeführten spezifischen Wärmeleistung und der dafür erforderlichen Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Fluidtemperatur in der Sonde (Mittelwert zwischen Ein- und Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids in der Sonde) und der über die Sondenlänge gemittelten Temperatur des Untergrunds am Bohrlochrand: ΔT = q R b (2) Dabei ist T q R b Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Fluidtemperatur in der Sonde und der über die Sondenlänge gemittelten Temperatur des Untergrunds am Bohrlochrand in K/(W/m) spezifische Entzugsleistung in W/m effektiver thermischer Bohrlochwiderstand in K/(W/m) Beispiel Bei einem Bohrlochwiderstand von R b = 0,1 K/(W/m) und einer spezifischen Entzugsleistung von q = 50 W/m stellt sich ein Temperaturunterschied von T = 5 K ein, das heißt, das Wärmeträgerfluid in der Sonde wird durch den Wärmeentzug um 5 K unter die umgebende Untergrundtemperatur abgekühlt. In Tabelle 5 sind typische Werte für den thermischen Bohrlochwiderstand R b aufgeführt. Tabelle 5. Beispiele für den effektiven thermischen Bohrlochwiderstand Rb bei unterschiedlichen Bohrlochgeometrien und Verfüllungen (turbulente Strömung im Sondenrohr) Bauart der Erdwärmesonde Bohrlochdurchmesser in mm Rohrlage Wärmeleitfähigkeit der Verfüllung in W/(m K) Doppel-U-Sonden Effektiver thermischer Bohrlochwiderstand Rb in K/(W/m) PE ,9 150 M 1,6 0,08 PE ,9 150 M 0,8 0,12 PE ,9 120 M 1,6 0,07 PE ,9 150 Z 1,6 0,11 PE ,9 150 A 1,6 0,05 Einfach-U-Sonden PE ,9 150 M 1,6 0,12 PE ,9 150 M 0,8 0,19 PE ,7 150 M 1,6 0,11 M Z A Der Mittenabstand der U-Rohr-Schenkel wurde jeweils mit der Hälfte des Bohrlochdurchmessers angesetzt. Die Sondenrohre sind in der Mitte des Bohrlochs zentriert. Die Sondenrohre sind nach außen zur Bohrlochwand gedrückt.

20 20 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Um niedrige Werte für den thermischen Bohrlochwiderstand R b zu erhalten, muss zwischen Erdwärmesonde und Gestein ein möglichst guter Wärmeübergang durch die Verfüllung gewährleistet sein. Auch das Fließverhalten des Wärmeträgermediums in den Sondenrohren hat einen Einfluss auf den effektiven thermischen Bohrlochwiderstand R b; bei laminarer Strömung ist der Wärmeübergang von der Innenseite der Sondenrohre in das Fluid (oder umgekehrt) deutlich schlechter. So steigt der effektive thermische Bohrlochwiderstand für das erste Beispiel aus Tabelle 5 von 0,08 K/(W/m) bei turbulenter Strömung (Re = 3000) auf 0,13 K/(W/m) bei laminarer Strömung (Re = 2000). Als Folge der Wärmeübertragung in der Sonde verändert sich die Temperatur des Untergrunds in der Umgebung um die Sonde in Abhängigkeit vom Wärmespeichervermögen (Wärmekapizität) und den Wärmetransporteigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Advektion durch Grundwasserströmung) des Untergrunds. Mit einigen vereinfachenden Annahmen lässt sich diese zeitabhängige Temperaturänderung analytisch berechnen, beispielsweise mit Gleichung (3); diese ist eine Näherungslösung der kelvinschen Linienquellentheorie (siehe [2] und [3]): 2 0,18333 Q α t r T = log10 + 0, ,351 2 λ r α t (3) Dabei ist T Temperaturänderung der Untergrundtemperatur gegenüber dem Ausgangszustand in K Q Wärmefluss pro m Rohrlänge in W/m λ Wärmeleitfähigkeit in W/(m K) r Entfernung vom Rohrmittelpunkt in m t Zeit in s α Temperaturleitfähigkeit in m 2 /s Die Temperaturleitfähigkeit α lässt sich errechnen zu: λ α = (3a) ρ Dabei ist λ Wärmeleitfähigkeit des Gesteins in W/(m K) ρ Dichte des Gesteins in kg/m 3 c p spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck in kj/(kg K) Die Gleichung (3) berücksichtigt ausschließlich die Wärmeleitung im Untergrund und gilt für α t/r 2 > 1 c p sowie für eine konstante Wärmeleistung, die über die Zeit t anliegt. Sie ist nur für eine Einzelsonde ohne Beeinflussung durch Nachbarsonden anwendbar. Im realen Betrieb werden Erdwärmesonden in der Regel mit Unterbrechungen und variierenden Leistungen beaufschlagt, entsprechend dem Lastprofil der Anlage. Die zeitliche Entwicklung der Temperaturen des Untergrunds sowie des Wärmeträgerfluids in den Erdwärmesonden hängt damit nicht nur von der Höhe, sondern ebenso vom zeitlichen Verlauf der Leistungen sowie der entnommenen oder eingeleiteten Energie ab. Wiederholt sich das Lastprofil periodisch über einen langen Zeitraum, typischerweise von Jahr zu Jahr, so nähern sich die Temperaturverläufe asymptotisch einem dynamischen Gleichgewicht an. In diesem wird die während einer Periode umgesetzte thermische Energie durch Wärmeaustausch mit der Umgebung (Erdoberfläche, seitliche und tiefere Untergrundbereiche) ausgeglichen. Die Auslegung von Erdwärmesonden muss so erfolgen, dass für ein gegebenes Lastprofil die Fluid- und Sondentemperaturen im vorgesehenen Betriebszeitraum der Anlage (z. B. 50 Jahre, siehe Abschnitt 7.1.1) innerhalb vorgegebener Grenzen bleiben. Im Heizbetrieb soll die Eintrittstemperatur des Wärmeträgermediums in die Erdwärmesonde(n) im Dauerbetrieb (z. B. Wochenmittel) 0 C nicht unterschreiten. Bei Spitzenlast soll diese Temperatur nicht unter 5 C liegen. Im Kühlbetrieb soll die Eintrittstemperatur des Wärmeträgermediums in die Erdwärmesonde(n) im Dauerbetrieb die über die Sondentiefe gemittelte ungestörte Untergrundtemperatur um maximal 15 K nicht überschreiten. Bei Spitzenlast soll diese Differenz nicht über 20 K liegen; dabei sind die Materialeigenschaften nach Abschnitt 12 zu beachten. Generell gilt, dass bei Einleitung von Wärme in den Untergrund andere Nutzungen des Grundwassers in diesem Bereich nicht beeinträchtigt werden dürfen (siehe auch VDI 4640 Blatt 3). Sollen diese Werte überschritten werden, ist eine Einzelfallprüfung erforderlich. Sollte sich während der Bohrarbeiten zeigen, dass die geologischen Verhältnisse deutlich anders sind als für die Auslegung angenommen, so ist die Sondenauslegung zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen. Der zeitliche Verlauf des Lastprofils folgt in einfachen Fällen, z. B. bei Wohngebäuden mit ausschließlichem oder überwiegendem Heizbetrieb für die Raumheizung und Trinkwassererwärmung oder vergleichbaren Gebäuden, auf ähnliche Weise ei-

21 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 21 ner immer wiederkehrenden Form (siehe VDI 4655). Für Einzelanlagen dieser Art bis maximal 30 kw Heizleistung dürfen zur Auslegung der Sondenanlage die in Abschnitt aufgeführten Kennwerte bei Einhaltung der dort genannten Randbedingungen verwendet werden. In allen anderen Fällen muss die Auslegung mit einschlägigen Berechnungs- oder Simulationsverfahren erfolgen (siehe Abschnitt 7.1.2) Kleinere Anlagen bis zu Heizleistungen von 30 kw Kleinanlagen können mit im Folgenden dargestellten Kennwerten ausgelegt werden, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind: Heizleistung maximal 30 kw vorgesehene Sondentiefen von 50 m bis 200 m maximal fünf Erdwärmesonden Es ist keine thermische Wechselwirkung mit anderen in der unmittelbaren Nachbarschaft befindlichen Sondenanlagen zu erwarten. mindestens 6 m Sondenabstand und keine deutliche Abweichung von einer Linienanordnung Jahresvolllaststunden zwischen 1200 h bis 2400 h Die Sondeneigenschaften entsprechen einer Doppel-U-Sonde: kein wesentlich davon abweichender Bohrlochwiderstand, keine Speichersonde mit erheblich erhöhter Wärmekapazität (siehe Abschnitt 9.5) usw. Die in Tabelle 7, Tabelle 8 und Tabelle 9 in Abschnitt sowie Tabelle 11, Tabelle 12 und Tabelle 13 in Abschnitt dargestellten Kennwerte dürfen auch für Anlagen mit Raumkühlung herangezogen werden, wenn folgende Grenzen hinsichtlich der Kühlung (direkte/passive Kühlung von Wohngebäuden) nicht überschritten werden: Kühlleistung maximal 75 % der Heizleistung Jahresvolllaststunden der Kühlung bis zu 300 h/a Dabei wird eine direkte/passive Kühlung vorausgesetzt, bei der die maximale Temperatur ϑ Gebäude-Eintritt 20 C nicht überschreitet. Die Heizund Kühllastverteilung einer solchen Anlage ist beispielhaft in Bild 5 dargestellt. Geht eine solche Anlage zu Beginn einer Kühlperiode in Betrieb, so kann in dieser ersten Kühlperiode die genannte Temperatur unter Umständen nicht eingehalten werden. Sollten diese Bedingungen nicht erfüllt sein, sind Berechnungs- oder Simulationsverfahren gemäß Abschnitt anzuwenden. Bei Einhaltung der vorgenannten Bedingungen kann die Auslegung anhand von spezifischen Entzugsleistungen in W/m gemäß Tabelle 7 bis Tabelle 10 erfolgen. Dazu wird folgende Gleichung verwendet: pent lews = (4) n P EWS EWS Dabei ist l EWS (mittlere) Länge einer Erdwärmesonde (EWS) in m n EWS Anzahl Erdwärmesonden P ENT Wärmepumpenverdampferleistung in W P EWS spezifische Erdwärmesondenleistung in W/m Bild 5. Heiz- und Kühllastverteilung über das Jahr für die Basisannahme Heizen, Trinkwassererwärmung

22 22 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 und Kühlen, Beispiel für eine Anlage mit 5 kw Heizleistung und 1800 Jahresvolllaststunden Es ist unbedingt darauf zu achten, dass als Eingabewert die tatsächliche Verdampferleistung der Wärmepumpe verwendet wird. Gegebenenfalls ist sie aus der Heizleistung der Wärmepumpe nach folgender Gleichung zu errechnen: PHZG PENT = ( SCOP 1) (5) SCOP Dabei ist P ENT Wärmepumpenverdampferleistung in W oder kw P HZG Wärmepumpenheizleistung in W oder kw (die Sole-Umwälzpumpe wird nicht gesondert betrachtet) SCOP Jahresarbeitszahl Eine Berechnung auf Basis des Heizleistungsbedarfs des Gebäudes statt der tatsächlichen Wärmepumpenheizleistung ist nicht zulässig. Bei den Jahresvolllaststunden ist neben der Wärmepumpenarbeit zur Raumheizung auch diejenige zur Trinkwassererwärmung zu berücksichtigen. Bei bivalenten (einschließlich monoenergetischen) Anlagen ist zu beachten: Wenn der zusätzliche Wärmeerzeuger nur als Notreserve für Ausfälle oder extreme Witterung vorgesehen ist, kann die Auslegung der Erdwärmesonden nach der Wärmepumpenverdampferleistung entsprechend den nachfolgenden Angaben erfolgen. Wird der zusätzliche Wärmeerzeuger aber eingesetzt, um einen Teil des regulären Heizbedarfs abzudecken, so bedeutet dies höhere Jahresbetriebsstunden für die verbleibende und dann kleinere Wärmepumpenleistung. Die Erdwärmesondenanlage müsste dann entsprechend dem Wärmebedarf des Gebäudes ausgelegt werden oder, bei genauer Berechnung, zumindest die längeren Jahresvolllaststunden berücksichtigen. Als Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds ist die über die Sondenlänge gewichtete mittlere Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. Alternativ können die Entzugsleistungen aus einzelnen geologischen Einheiten mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit jeweils separat ermittelt werden. Beispiele für Werte der Wärmeleitfähigkeit befinden sich in VDI 4640 Blatt 1, Tabelle 1. Grundsätzlich sollte bei längeren Laufzeiten neben der in den Tabellen genannten spezifischen Entzugsleistung auch die spezifische jährliche Entzugsarbeit berücksichtigt werden, die den langfristigen Einfluss bestimmt. Sie kann in kwh/(m a) für Erdwärmesonden angegeben werden und sollte zwischen 100 kwh/(m a) und 150 kwh/(m a) liegen. Dies gilt für Anlagen mit Heizbetrieb; bei solchen mit Wärmeeinleitung im Sommer (Kühlung, Nachladung) kann davon abgewichen werden. Die Berechnungen wurden unter folgenden Randbedingungen durchgeführt: Als Erdwärmesonden wurden Doppel-U-Sonden 32 2,9 mit Verpressmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,8 W/(m K) angesetzt, Bohrlochdurchmesser 150 mm; die Berechnungen sind damit gültig für alle Sondentypen mit einem effektiven thermischen Bohrlochwiderstand von rund 0,12 K/(W/m). Die mittlere ungestörte Untergrundtemperatur über die jeweilige Sondenlänge beträgt 11 C. Turbulente Strömung in den Sonden wird als gegeben angesehen (siehe Abschnitt ; Korrektur/eigene Berechnung bei laminarer Strömung). In Tabelle 8 in Abschnitt sind beispielhaft die Werte für laminare Strömung (kursive Zahlen) hinzugefügt. Es werden Fälle von ein bis fünf Erdwärmesonden berechnet, wobei eine Sondenanordnung in einer Linie mit einem Abstand zwischen den einzelnen Erdwärmesonden von 6 m angenommen wurde. Geringfügige Abweichungen von der Anordnung in Linie, z. B. Bogen, Zick-Zack, L-Form, unter Einhaltung des Mindestabstands sind bei dieser geringen Sondenanzahl zulässig. Die Dauer der Maximalleistung (nicht unterbrochener oder nur kurzfristig unterbrochener Betriebszyklus an kalten Tagen) wurde für die Berechnungen bei den unterschiedlichen Jahreslaufzeiten wie in Tabelle 6 angesetzt. Tabelle 6. Dauer der Maximalleistung bei unterschiedlichen Jahresvolllaststunden Jahresvolllaststunden in h/a Dauer Maximalleistung in h Die Auslegungstabellen sind auf folgende Grenzen der Zieltemperatur hin berechnet: minimale Temperatur bei Dauerbetrieb Heizen: T WP-Austritt 0 C

23 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 23 minimale Temperaturen bei Maximalleistung Heizen, drei Szenarien: T WP-Austritt 0 C T WP-Austritt 3 C T WP-Austritt 5 C maximale Temperatur im Kühlbetrieb (direkte Kühlung): T WP-Eintritt 20 C Hinweise zur Benutzung von Tabelle 7 bis Tabelle 9 und Tabelle 11 bis Tabelle 13: Die angegebenen minimalen Temperaturen bei Austritt des Wärmeträgermediums aus der Wärmepumpe (T WP-Austritt) werden bei Anlagen mit überwiegendem Wärmeentzug aus dem Untergrund erst nach einer Reihe von Betriebsjahren erreicht (die Berechnungen wurden für einen Zeitraum von 50 Jahren durchgeführt). Die langfristige Temperaturabsenkung ist umso stärker, je mehr Erdwärmesonden nahe beieinander angeordnet werden; umgekehrt ist bei weniger Erdwärmesonden eine schnellere Annäherung an die Endtemperatur zu sehen. Bild 6 zeigt ein Beispiel. Dies gilt analog auch für die Maximaltemperaturen bei Anlagen mit überwiegendem Wärmeeintrag in den Untergrund. Die tatsächlichen Eintrittstemperaturen in die Erdwärmesonde liegen im Winter in der Regel etwas höher als die angegebenen minimalen Temperaturen bei Austritt des Wärmeträgermediums aus der Wärmepumpe, da das Fluid auf dem Weg von der Wärmepumpe zur Erdwärmesonde bereits Wärme aufnehmen kann. Die angegebenen minimalen Temperaturen bei Austritt des Wärmeträgermediums aus der Wärmepumpe können nicht garantiert werden, da es sich um Berechnungen mit vorgegebenen, standardisierten Lastprofilen und weiteren Annahmen handelt. Die tatsächliche Temperaturentwicklung kann daher von den angegebenen Werten leicht abweichen. Dies ist für den praktischen Anlagenbetrieb unerheblich; jedoch kann allein mit den Werten der Tabellen mit T WP-Austritt 0 C (Tabelle 9 und Tabelle 13) kein unter allen Umständen frostfreier Betrieb garantiert werden. Die Werte sind für den Fall eines turbulenten Fließverhaltens in den Erdwärmesondenrohren berechnet. Besonders dann, wenn die benötigte Sondenlänge auf mehrere kürzere Erdwärmesonden aufgeteilt wird, kann es durch den geringeren Durchfluss pro Sonde zu laminarem Fließverhalten kommen. Durch den damit verbundenen schlechteren Wärmeübergang in das Wärmeträgermedium steigt der thermische Bohrlochwiderstand deutlich, und es sinken die möglichen Entzugsleistungen (siehe Bild 7). Die Verringerung liegt bei etwa 10 % bis 25 %; die stärkste Verringerung ergibt sich bei kleinen Anlagen mit kurzen Laufzeiten und hoher Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs. In Tabelle 8 (nur Heizen, T WP-Austritt 3 C) sind beispielhaft die Werte für Entzugsleistungen bei laminarem Fließverhalten hinzugefügt, und in Tabelle 10 sind die entsprechenden prozentualen Verringerungen aufgeführt. Werte zwischen den angegebenen Betriebsstunden und Wärmeleitfähigkeiten können durch lineare Interpolation erhalten werden. Bild 6. Verlauf des Minimums der Temperaturen bei Austritt des Wärmeträgermediums aus der Wärmepumpe (TWP-Austritt) über 50 Jahre für ein bis fünf Erdwärmesonden, bei einer Temperaturspreizung zwischen Einund Austritt von 3 K; Beispiel für TWP-Austritt 3 C bei 1500 Jahresvolllaststunden und einer Gesteinswärmeleitfähigkeit von 2,5 W/(m K)

24 24 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Anmerkung: Die Entzugsleistung ist jeweils so angesetzt, dass die Endtemperatur nach 50 Jahren erreicht wird, und ist damit bei einer Erdwärmesonde deutlich größer als bei fünf Erdwärmesonden (im konkreten Beispiel 44,9 W/m bei einer und 36,8 W/m bei fünf Erdwärmesonden). Bild 7. Abhängigkeit der Entzugsleistung vom Fließverhalten in den Sondenrohren der Sprung beim Übergang vom turbulenten in den laminaren Bereich ist deutlich zu sehen, Beispiel für TWP-Austritt 3 C bei 1800 Jahresvolllaststunden, drei Erdwärmesonden und einer Gesteinswärmeleitfähigkeit von 2,5 W/(m K) Erdwärmesonden im reinen Heizbetrieb (keine Trinkwassererwärmung) Tabelle 7 bis Tabelle 9 zeigen die mögliche spezifische Entzugsleistung von Erdwärmesonden in Abhängigkeit von: Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds Anzahl der Erdwärmesonden (Reihe, Abstand 6 m) Jahresvolllaststunden Die Berechnungen wurden unter folgenden Randbedingungen durchgeführt: Als Erdwärmesonde wurde eine Doppel-U- Sonde 32 2,9 mit Verpressmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,8 W/(m K) angesetzt, Bohrlochdurchmesser 150 mm. Die mittlere Untergrundtemperatur über die jeweilige Sondenlänge beträgt 11 C. turbulente Strömung in den Sonden (Korrektur/eigene Berechnung bei laminarer Strömung) Heizlastprofil gemäß Bild 8 minimale Temperatur bei Grundlast T WP-Austritt > 0 C Bild 8. Heizlastverteilung über das Jahr für die Basisannahme nur Heizen (keine Trinkwassererwärmung, ohne Kühlung)

25 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 25 Tabelle 7. Entzugsleistung bei Anlagenbetrieb nur Heizen (keine Trinkwassererwärmung), mit TWP-Austritt 5 C bei Maximalleistung in W/m Anzahl Sonden Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds Entzugsleistung bei turbulentem Durchfluss in W/m 1,0 W/(m K) 2,0 W/(m K) 3,0 W/(m K) 4,0 W/(m K) 1200 h/a 1 37,5 52,0 61,5 68,3 2 34,3 48,6 58,3 65,3 3 32,1 46,3 56,1 63,2 4 30,6 44,4 54,3 61,5 5 29,7 43,4 53,4 60, h/a 1 32,4 47,0 56,9 64,0 2 29,3 43,4 53,4 60,7 3 27,2 41,0 50,9 58,4 4 25,7 39,1 49,0 56,5 5 24,9 38,0 48,0 55, h/a 1 28,6 43,0 53,0 60,4 2 25,6 39,3 49,3 56,8 3 23,8 36,9 46,7 54,3 4 22,4 35,0 44,8 52,3 5 21,6 33,9 43,6 51, h/a 1 25,8 39,8 49,8 57,4 2 23,0 36,1 45,9 53,5 3 21,2 33,7 43,3 50,9 4 19,9 31,9 41,3 48,8 5 19,2 30,8 40,1 47, h/a 1 23,7 37,4 47,3 55,0 2 21,0 33,6 43,3 50,9 3 19,3 31,2 40,6 48,1 4 18,0 29,5 38,5 46,0 5 17,3 28,3 37,3 44,8 Tabelle 8. Entzugsleistung bei Anlagenbetrieb nur Heizen (keine Trinkwassererwärmung), mit TWP-Austritt 3 C bei Maximalleistung, in W/m Jahresvolllaststunden Jahresvolllaststunden Anzahl Sonden Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds Entzugsleistung bei turbulentem/laminarem Durchfluss in W/m 1,0 W/(m K) 2,0 W/(m K) 3,0 W/(m K) 4,0 W/(m K) 1200 h/a 1 32,2/27,4 44,7/36,6 52,8/42,2 58,6/46,1 2 29,4/25,2 41,6/34,4 49,9/40,3 55,9/44,3 3 27,4/23,7 39,4/32,9 47,8/38,9 53,9/43,1 4 26,0/22,7 37,7/31,9 46,1/37,9 52,2/42,2 5 25,2/22,0 36,8/31,0 45,3/37,1 51,6/41, h/a 1 27,8/23,9 40,3/33,4 48,8/39,4 55,0/43,6 2 25,1/21,7 37,1/31,1 45,6/37,3 51,9/41,6 3 23,3/20,3 34,9/29,6 43,4/35,8 49,7/40,2 4 22,0/19,3 33,3/28,4 41,6/34,6 48,0/39,2 5 21,3/18,6 32,4/27,6 40,7/33,8 47,1/38,4

26 26 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Tabelle 8. Entzugsleistung bei Anlagenbetrieb nur Heizen (keine Trinkwassererwärmung), mit TWP-Austritt 3 C bei Maximalleistung, in W/m (Fortsetzung) Anzahl Sonden Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds Entzugsleistung bei turbulentem/laminarem Durchfluss in W/m 1,0 W/(m K) 2,0 W/(m K) 3,0 W/(m K) 4,0 W/(m K) 1800 h/a 1 24,5/21,2 36,9/30,8 45,4/37,0 51,8/41,5 2 22,0/19,1 33,6/28,4 42,1/34,7 48,5/39,2 3 20,3/17,7 31,5/26,8 39,8/33,1 46,2/37,3 4 19,1/16,8 29,9/25,7 38,0/31,9 44,4/36,6 5 18,4/16,2 28,9/24,8 37,0/31,0 43,4/35, h/a 1 22,1/19,2 34,1/28,7 42,7/35,1 49,2/39,5 2 19,7/17,1 30,9/26,3 39,2/32,6 45,7/37,2 3 18,1/15,9 28,8/24,7 36,9/30,9 43,4/35,6 4 17,0/15,0 27,1/23,5 35,0/29,6 41,4/34,4 5 16,4/14,3 26,2/22,6 34,0/28,6 40,3/33, h/a 1 20,4/17,7 32,1/27,1 40,6/33,5 47,1/38,2 2 18,0/15,7 28,8/24,6 37,0/30,9 43,4/35,6 3 16,5/14,4 26,6/22,9 34,5/29,1 40,9/33,9 4 15,4/13,6 25,0/21,8 32,7/27,7 39,0/32,6 5 15,0/13,1 24,3/21,0 31,9/26,9 38,2/31,8 Tabelle 9. Entzugsleistung bei Anlagenbetrieb nur Heizen (keine Trinkwassererwärmung), mit TWP-Austritt 0 C bei Maximalleistung, in W/m Jahresvolllaststunden Jahresvolllaststunden Anzahl Sonden Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds Entzugsleistung bei turbulentem Durchfluss in W/m 1,0 W/(m K) 2,0 W/(m K) 3,0 W/(m K) 4,0 W/(m K) 1200 h/a 1 24,4 33,7 39,8 44,3 2 22,1 31,2 37,4 41,9 3 20,6 29,5 35, ,4 28,1 34,2 38,9 5 18,8 27,4 31,8 38, h/a 1 21,0 30,4 36,8 41,5 2 18,9 27,9 34,1 38,9 3 17,4 26,1 32,3 37,0 4 16,4 24,7 30,8 35,6 5 15,9 24,0 30,1 34, h/a 1 18,6 27,8 34,2 39,1 2 16,6 25,3 31,5 36,3 3 15,2 23, ,4 4 14,2 22,2 28,1 32,9 5 13,8 21,5 27,2 32, h/a 1 16,7 25,7 32,2 37,0 2 14,8 23,2 29,3 34,2 3 13,6 21,5 27,4 32,2 4 12,6 20,1 25,8 30,6 5 12,5 19,4 25,0 29,8

27 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 27 Tabelle 9. Entzugsleistung bei Anlagenbetrieb nur Heizen (keine Trinkwassererwärmung), mit TWP-Austritt 0 C bei Maximalleistung, in W/m (Fortsetzung) Anzahl Sonden Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds Entzugsleistung bei turbulentem Durchfluss in W/m 1,0 W/(m K) 2,0 W/(m K) 3,0 W/(m K) 4,0 W/(m K) 2400 h/a 1 15,4 24,2 30,5 35,5 2 13,6 21,6 27,6 32,5 3 12,0 19,5 25,3 30,2 4 11,1 18,5 24,1 28,7 5 10,7 17,8 23,3 27,8 Tabelle 10. Verringerung der Entzugsleistung bei laminarem statt turbulentem Fließverhalten in % (Anlagenbetrieb nur Heizen, keine Trinkwassererwärmung, keine Kühlung, mit TWP-Austritt 3 C bei Maximalleistung auf der Basis der Tabelle 8) Jahresvolllaststunden Jahresvolllaststunden Anzahl Sonden Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds Verringerung der Entzugsleistung bei laminarem statt turbulenten Fließverhalten in % 1,0 W/(m K) 2,0 W/(m K) 3,0 W/(m K) 4,0 W/(m K) 1200 h/a 1 14,9 18,1 20,1 21,3 2 14,3 17,3 19,2 20,8 3 13,5 16,5 18,6 20,0 4 12,7 15,4 17,8 19,2 5 12,7 15,8 18,1 19, h/a 1 14,0 17,1 19,3 20,7 2 13,5 16,2 18,2 19,8 3 12,9 15,2 17,5 19,1 4 12,3 14,7 16,8 18,3 5 12,7 14,8 17,0 18, h/a 1 13,5 16,5 18,5 19,9 2 13,2 15,5 17,6 19,2 3 12,8 14,9 16,8 19,3 4 12,0 14,0 16,1 17,6 5 12,0 14,2 16,2 17, h/a 1 13,1 15,8 17,8 19,7 2 13,2 14,9 16,8 18,6 3 12,2 14,2 16,3 18,0 4 11,8 13,3 15,4 16,9 5 12,8 13,7 15,9 17, h/a 1 13,2 15,6 17,5 18,9 2 12,8 14,6 16,5 18,0 3 12,7 13,9 15,7 17,1 4 11,7 12,8 15,3 16,4 5 12,7 13,6 15,7 16,8

28 28 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf Erdwärmesonden im Heizbetrieb mit Trinkwassererwärmung Tabelle 11 bis Tabelle 13 zeigen die mögliche spezifische Entzugsleistung von Erdwärmesonden in Abhängigkeit von: Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds Anzahl der Erdwärmesonden (Reihe, Abstand 6 m) Jahresvolllaststunden Die Berechnungen wurden unter folgenden Randbedingungen durchgeführt: Als Erdwärmesonde wurde eine Doppel-U- Sonde 32 2,9 mit Verpressmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,8 W/(m K) angesetzt, Bohrlochdurchmesser 150 mm. Die mittlere Untergrundtemperatur über die jeweilige Sondenlänge beträgt 11 C. turbulente Strömung in den Sonden (Korrektur/eigene Berechnung bei laminarer Strömung) Heizlastprofil gemäß Bild 9; dabei wird angenommen, dass die Trinkwassererwärmung im Rahmen der genannten Jahresvolllaststunden erfolgt. minimale Temperatur bei Grundlast T WP-Austritt > 0 C Bild 9. Heizlastverteilung über das Jahr für die Basisannahme Heizen und Trinkwassererwärmung, ohne Kühlung Tabelle 11. Entzugsleistung bei Anlagenbetrieb Heizen und Trinkwassererwärmung, mit TWP-Austritt 5 C bei Maximalleistung, in W/m Jahresvolllaststunden Anzahl Sonden Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds Entzugsleistung bei turbulentem Durchfluss in W/m 1,0 W/(m K) 2,0 W/(m K) 3,0 W/(m K) 4,0 W/(m K) 1500 h/a 1 33,4 48,0 57,9 65,0 2 30,1 44,3 54,3 61,6 3 28,0 41,8 51,8 59,2 4 26,4 39,9 49,9 57,4 5 25,5 38,8 48,8 56, h/a 1 29,4 43,9 53,9 61,3 2 26,3 40,1 50,2 57,7 3 24,4 37,6 47,5 55,1 4 22,9 35,7 45,5 53,1 5 22,1 34,6 44,4 52,1

29 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 29 Tabelle 11. Entzugsleistung bei Anlagenbetrieb Heizen und Trinkwassererwärmung, mit TWP-Austritt 5 C bei Maximalleistung, in W/m (Fortsetzung) Tabelle 12. Entzugsleistung bei Anlagenbetrieb Heizen und Trinkwassererwärmung, mit TWP-Austritt 3 C bei Maximalleistung, in W/m Jahresvolllaststunden Anzahl Sonden Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds Entzugsleistung bei turbulentem Durchfluss in W/m 1,0 W/(m K) 2,0 W/(m K) 3,0 W/(m K) 4,0 W/(m K) 2100 h/a 1 26,6 40,7 50,7 58,3 2 23,6 36,9 46,8 54,4 3 21,7 34,4 44,1 51,7 4 20,4 32,5 42,0 49,6 5 19,6 31,4 40,8 48, h/a 1 24,4 38,2 48,3 55,9 2 21,6 34,4 44,1 51,2 3 19,8 31,9 41,3 48,9 4 18,4 30,0 39,2 46,8 5 17,7 28,9 38,0 45,5 Jahresvolllaststunden Anzahl Sonden Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds Entzugsleistung bei turbulentem Durchfluss in W/m 1,0 W/(m K) 2,0 W/(m K) 3,0 W/(m K) 4,0 W/(m K) 1500 h/a 1 28,6 41,2 49,7 55,8 2 25,8 37,9 46,4 52,7 3 23,9 35,6 44,1 50,4 4 22,6 33,9 42,3 48,7 5 21,8 33,0 41,4 47, h/a 1 25,3 37,7 46,3 52,6 2 22,6 34,3 42,8 49,3 3 21,2 32,1 40,5 46,9 4 19,6 30,4 38,6 45,1 5 18,8 29,5 37,6 44, h/a 1 22,8 34,9 43,5 50,0 2 20,2 31,6 39,9 46,4 3 18,5 29,3 37,5 44,0 4 17,3 27,7 35,6 42,0 5 16,7 26,7 34,6 41, h/a 1 21,0 32,8 41,3 47,9 2 18,5 29,4 37,7 44,2 3 16,9 27,2 35,2 41,6 4 15,8 25,5 33,3 39,6 5 15,1 24,5 32,1 38,5

30 30 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Tabelle 13. Entzugsleistung bei Anlagenbetrieb Heizen und Trinkwassererwärmung, mit TWP-Austritt 0 C bei Maximalleistung, in W/m Berechnungs- und Simulationsverfahren für Erdwärmesonden Wenn die Voraussetzungen für eine Auslegung nach Kennwerten gemäß Abschnitt nicht vorliegen oder eine genauere Auslegung und/oder Optimierungs- und Variantenrechnungen (Sondenanordnung, Verfüllmaterial usw.) durchgeführt werden sollen, kommen Rechen- und Simulationsverfahren zum Einsatz. Rechen- oder Simulationsverfahren für Erdwärmesondenanlagen müssen den zeitlichen Verlauf der thermischen Belastung der Erdwärmesonde(n) und die daraus resultierenden Temperaturen des Wärmeträgerfluids in der Sondenanlage sowie im Bohrloch hinreichend genau abbilden, sodass die Einhaltung vorgegebener Temperaturgrenzen überprüft werden kann. Hierfür sind mindestens folgende Eingangsdaten erforderlich: Bohrlochwiderstand bei den zu erwartenden Betriebsbedingungen (Fluidtemperatur und Fluidvolumenstrom in der Sondenanlage) Dieser kann z. B. aus einem Thermal-Response- Test ermittelt sein, wobei dann gegebenenfalls auf eine Umrechnung auf die jeweiligen Be- Jahresvolllaststunden Anzahl Sonden Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrunds Entzugsleistung bei turbulentem Durchfluss in W/m 1,0 W/(m K) 2,0 W/(m K) 3,0 W/(m K) 4,0 W/(m K) 1500 h/a 1 21,7 31,1 37,4 42,1 2 19,4 28,5 34,7 39,4 3 17,9 26,6 32,8 37,6 4 16,8 25,2 31,3 36,0 5 16,2 24,5 30,6 35, h/a 1 18,6 27,8 34,2 39,1 2 17,0 25,8 32,1 36,9 3 15,6 24,0 30,1 34,9 4 14,6 22,6 28,5 33,3 5 14,1 21,8 27,7 32, h/a 1 17,2 26,3 32,8 37,6 2 15,2 23,7 29,9 34,7 3 13,9 21,9 27,8 32,7 4 12,9 20,5 26,3 31,1 5 12,1 19,8 25,4 30, h/a 1 15,9 24,7 31,1 36,0 2 13,9 22,1 28,1 33,0 3 12,3 19,9 25,8 30,6 4 11,4 18,9 24,5 29,2 5 10,9 18,2 23,7 28, Größere Anlagen ( 30 kw Heizleistung) Bei einer größeren Anzahl von Einzelanlagen, bei Anlagen mit mehr als 2400 projektierten Jahresbetriebsstunden, bei Anlagen mit zusätzlichen Wärmequellen/-senken (z. B. Kühlung) und bei Anlagen mit einer Wärmepumpen-Gesamtheizleistung 30 kw muss die korrekte Anlagenauslegung durch Berechnungen nachgewiesen werden. Dazu ist in der Regel jeweils im Einzelfall eine Berechnung der sich aus dem Heizbedarf ergebenden mittleren Temperaturen des Wärmeträgermediums im Jahresverlauf über den vorgesehenen Betriebszeitraum hinweg erforderlich. Die hier beschriebenen Verfahren sind grundsätzlich auch für Anlagen mit einer Heizleistung 30 kw anwendbar. Bei größeren Anlagen (> 30 kw Wärmepumpenheizleistung) in einer unklaren geologischhydrogeologischen Situation wird eine Erkundungsbohrung empfohlen. Diese Bohrung ist gegebenenfalls geophysikalisch zu vermessen und kann in der Regel später als Erdwärmesondenbohrung genutzt werden.

31 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 31 triebsbedingungen zu achten ist (siehe Abschnitt und VDI 4640 Blatt 5). Auch verfügen viele Auslegungsprogramme für Erdwärmesonden über ein entsprechendes Modell, mit dem sich der Bohrlochwiderstand aus den einzelnen Bohrlochparametern wie Bohrlochgeometrie, verwendete Materialien, Fluidvolumenstrom usw. berechnen lässt. Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Untergrunds Angaben zum geothermieseitigen Lastprofil, das aus dem Heiz- und Kühllastprofil der Anlage und/oder des Gebäudes resultiert Hierfür ist es im Regelfall ausreichend, mit Monatsmittelwerten der Sondenbelastung (Grundlast: mittlere Leistung im Monat/monatlicher Energieumsatz) zu arbeiten, wobei Wärmeentzug und Wärmeeintrag saldiert werden können, ergänzt um die in jedem Monat zu erwartenden kurzfristigen Maximallasten (Spitzenlast: Wärmeentzug und Wärmeeintrag getrennt) mit ihren maximalen effektiven Einwirkungsdauern. Auch die Berechnung dieser Größen oder noch detaillierterer Lastverläufe aus entsprechenden Simulationsmodellen des Gebäudes/der Anlage, die das Betriebsverhalten der Wärmepumpe abbilden, ist möglich. Für die rechnerische/numerische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung: analytische Lösungen Für analytische Lösungen sind in der Regel vereinfachende Annahmen erforderlich. Einfache Berechnungen können außerdem nur den konduktiven Anteil des Wärmetransports erfassen; Wärmetransport durch das Grundwasser wird in der Berechnung nicht berücksichtigt. Nomogramme und vereinfachte Berechnungsverfahren Nomogramme sind in der Regel aus vorab durchgeführten detaillierten Berechnungen oder Simulationen abgeleitet. Vereinfachte Berechnungsverfahren sind als Handrechenverfahren und als Computerprogramme verfügbar (siehe [4] als Beispiel). Sie basieren auf analytischen Lösungen und arbeiten mit speziellen/erprobten Vereinfachungen, z. B. der Abbildung des Jahresgangs der mittleren monatlichen Sondenbelastungen als Sinuskurve. Nomogramme und vereinfachte Berechnungsverfahren können angewandt werden bei Kleinanlagen und Großanlagen ohne Berücksichtigung der Grundwasserströmung, Heiz- und Kühlbetrieb, Einzelsonden und Berücksichtigung der langfristigen Wechselwirkungen in Sondenfeldern. Simulation mit Näherungsfunktionen Die Simulation mit Näherungsfunktionen erfolgt in der Regel mithilfe von Sprungantworten der Sonden oder Sondenfelder (z. B. g-functions ), die aus standardisierten und normierten numerischen Simulationen, zum Teil auch aus analytischen Näherungslösungen, ermittelt wurden. Die Näherungsfunktionen sind in analytischer Form in den zugehörigen Simulationsprogrammen hinterlegt. Sie ermöglichen durch Superposition die Berechnung der thermischen Reaktionen der Erdwärmesonde bzw. des Sondenfelds auf die zeitlichen Lastverläufe, die z. B. in der vorstehend beschriebenen Form mittels monatlicher Grund- und Spitzenlasten dargestellt werden [5 bis 8]. Simulationen mit Näherungsfunktionen werden angewandt bei Kleinanlagen und Großanlagen ohne Berücksichtigung der Grundwasserströmung, beliebigen Lastverläufen von Heiz- und Kühlbetrieb, Einzelsonden und Berücksichtigung der mittel- und langfristigen Wechselwirkungen in Sondenfeldern, Abbildung des Temperaturverhaltens über den gesamten Betriebszeitraum. numerische Simulation Numerische Simulationen erfolgen mit Finite- Differenzen- oder Finite-Elemente-Verfahren und erlauben grundsätzlich eine beliebige zeitliche und örtliche Auflösung der Berechnungsaufgabe. Für die Anwendung für EWS stehen sowohl spezielle Programme für den Untergrund und/oder geothermische Anlagen zur Verfügung, als auch allgemeine numerische Simulationsprogramme für Wärmeleitungs- und Strömungsprobleme, die erst an die speziellen Aufgaben angepasst werden müssen. Numerische Simulation kann angewandt werden bei detaillierten Untersuchungen der Auslegung und des thermischen Verhaltens (z. B. zur Untersuchung der Wechselwirkung mit Grundwasserströmungen) und zum Nachweis thermischer Auswirkungen auf die Umgebung sowie für Forschungs- und Entwicklungsfragen. Die hier beschriebenen Simulationsverfahren für Erdwärmesonden werden auch als Teilprogramme in Simulationspaketen für Gesamtsysteme aus Verbrauchern (Gebäude, Anlagen), Wärme- und Kälteerzeugern sowie Geothermieanlagen eingesetzt, wenn Betrachtungen des Gesamtsystems,

32 32 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 z. B. in der Kombination mit weiteren Wärme- und Kältequellen, erforderlich sind Bestimmung thermischer Untergrundeigenschaften Für die Anlagenauslegung sind möglichst gute Kenntnisse der thermischen Eigenschaften des Untergrunds notwendig. Insbesondere beim Einsatz von Auslegungsprogrammen ist auf belastbare Eingabedaten zu achten, um eine akzeptable Genauigkeit des Ergebnisses zu erhalten. Ein Verfahren zur genauen Standortuntersuchung ist der Thermal-Response-Test. Hierbei wird an einer Pilotsonde am Standort die effektive Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds und der Wärmedurchgangswiderstand vom Gebirge an das Fluid ermittelt. Das Verfahren und die Anforderungen an die notwendige Messapparatur werden in VDI 4640 Blatt 5 beschrieben Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen Die in diesem Abschnitt beschriebene hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen betrachtet nur den soleseitigen Kreislauf zwischen der Wärmepumpe und der Wärmequelle. Basis für die hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen stellt neben der in Abschnitt ermittelten Sondenanzahl, Sondenlänge und Sondendurchmesser auch der erforderliche Volumenstrom dar, der durch die Wärmepumpe vorgegeben wird. Zur korrekten hydraulischen Auslegung des Gesamtsystems sind alle in der Anlage enthaltenen Komponenten zu berücksichtigen. Es ist darauf zu achten, dass die einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt sind. Die Anlage ist so zu planen, dass der maximale Druckverlust der kompletten Erdwärmesondenanlage die verfügbare Druckhöhe der Solepumpe nicht überschreitet. Bei größeren Anlagen können auch mehrere Solepumpen in den Kreislauf eingebunden sein, die entsprechend ihrer Verschaltungsart zu berücksichtigen sind. Grundsätzlich kann eine Erdwärmesondenanlage in nachfolgend genannte, separat zu berechnende Komponentengruppen aufgeteilt werden: Erdwärmesonden Anbindeleitungen von der Erdwärmesonde zum Verteiler, inklusive Formteile und Armaturen Verteiler Sammelleitung vom Verteiler zur Wärmepumpe, inklusive Formteile und Armaturen Wärmepumpe (Soleseite) Bei Anlagen mit über 30 kw Heizleistung oder Anlagen, die auch zur Kühlung verwendet werden, wird grundsätzlich eine detaillierte hydraulische Auslegung empfohlen Erdwärmesonden Die Dimensionierung der Rohrquerschnitte von Erdwärmesonden sollte so erfolgen, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Sondenrohr im turbulenten Bereich liegt; dabei sollte Re im Bereich zwischen 2300 bis 3000 angestrebt werden. In diesem Bereich liegt ein ökonomisches Optimum zwischen der verbesserten Wärmeübertragung und dem Energieverbrauch der Pumpe vor. Bei laminarer Strömung, also Re unter 2300, ergibt sich eine um ca. 1,5 K niedrigere Temperatur des Wärmeträgermediums als bei Re über 2300 mit turbulenter Strömung, was einen um ca. 4,5 % höheren Stromverbrauch der Wärmepumpe nach sich zieht. Nachfolgend ist in Tabelle 14 an zwei Beispielen der optimale Reynoldszahlbereich (unter der Voraussetzung, dass turbulente Strömung vorliegt) in Verbindung mit dem dafür benötigten Volumenstrom dargestellt. Beispiel Wärmeträgermedium: Dichte: 1050 kg/m 3 kinematische Viskosität: 4,0 mm 2 /s Medientemperatur: 5 C 25%iges Wasser-Ethylenglykol-Gemisch Tabelle 14. Volumenstrom bei verschiedenen Reynoldszahlen für zwei verschiedene Rohrdimensionen Reynoldszahl Re Rohrdimension 32 2,9 SDR 11 Volumenstrom pro Kreis 0,69 0,75 0,89 in m 3 /h Volumenstrom Doppel- U-Sonde in m 3 /h 1,38 1,50 1,78 Rohrdimension 40 3,7 SDR 11 Volumenstrom pro Kreis 0,87 0,94 1,10 in m 3 /h Volumenstrom Doppel- U-Sonde in m 3 /h 1,74 1,88 2,20 Bei der Verwendung anderer Konzentrationen des angegebenen Wärmeträgermediums oder dem Einsatz anderer Wärmeträgermedien können sich deutliche Abweichungen zu den oben genannten Werten ergeben. Daher ist bei entsprechenden Abweichungen eine erneute Berechnung nach den allgemein gültigen Berechnungsverfahren vorzunehmen. Bei Erdwärmesondenanlagen mit einer Leistung von weniger als 30 kw und in der Wärmepumpe

33 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 33 eingebauten Sole-Umwälzpumpen sollte der maximal in einer Erdwärmesonde auftretende Druckverlust 300 mbar (= Pa) nicht überschreiten. Anhand von Bild 10 kann für den Einsatz eines 25%igen Wasser-Ethylenglykol-Gemischs in Abhängigkeit der im Beispiel genannten Stoffdaten, vom Volumenstrom und Rohrdurchmesser der Druckverlust in Rohrleitungen ermittelt werden. Die Druckverlustdiagramme für Wasser und für ein 30%iges Wasser/Propylenglykol-Gemisch sind im Anhang A beigegeben Anbindeleitungen von der Erdwärmesonde zum Verteiler Bei der Dimensionierung der Anbindeleitung ist neben dem Volumenstrom die Leitungslänge zu berücksichtigen. Die Erdwärmesonden sollten einzeln in parallelen Kreisen am Verteiler angeschlossen werden. Die Anbindeleitung sollte zur Minimierung des Gesamtdruckverlusts der Erdwärmesondenanlage möglichst auf direktem Weg ohne zusätzliche Einbauten zum Verteiler geführt werden. Bei sehr großen Anbindelängen wird zur Reduzierung des Druckverlusts die Installation von Zwischenverteileranlagen im Sondenfeld empfohlen. Von einer Verschaltung von Erdwärmesonden nach dem Tichelmannprinzip ohne Verteiler ist dringend abzuraten. Bei Doppel-U-Sonden kann durch den Einsatz von Hosenstücken (auch Y-Stück genannt), die unmittelbar am Sondenkopf eingebaut werden, die Anzahl der Anbindeleitungen reduziert werden. Bei Anlagen unter drei Sonden ist der Einsatz von Hosenstücken nicht zu empfehlen. Bei Verwendung von Hosenstücken wird die Anbindeleitung meist in der nächsthöheren Leitungsdimension als das Erdwärmesondenrohr ausgeführt. Ausgehend von einer geringen Anzahl von zusätzlichen Formteilen innerhalb der Anbindeleitung kann bei der Berechnung des Druckverlusts ein pauschaler Zuschlag von 10 % der Rohrleitungsverluste auf den Gesamtdruckverlust der Anbindeleitung addiert werden Verteiler Bei der Berücksichtigung des Verteilers im Rahmen der hydraulischen Auslegung sind die Herstellerangaben zu verwenden. Grundsätzlich sind am Verteiler die einzelnen Abgänge mit Absperrventilen im Vor- und Rücklauf auszurüsten. Die Installation von Abgleichventilen am Verteiler ist dringend zu empfehlen, um Unterschiede in der Länge der Anbindeleitungen oder den Erdwärmesonden auszugleichen und eine ausgeglichene Durchströmung der Erdwärmesonden untereinander zu erzielen. Ab einer Längendifferenz von mehr als 15 % zwischen dem längsten und kürzesten Strömungskreis ist die Installation von Abgleichventilen zwingend erforderlich. Bild 10. Druckverlustdiagramm für 25%iges Wasser-Ethylenglykol-Gemisch

34 34 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf Sammelleitungen vom Verteiler zur Wärmepumpe, inklusive Formstücke und Einbauten Für die Dimensionierung der Anbindeleitungen vom Verteiler zur Wärmepumpe ist der gesamte Volumenstrom aller an den Verteiler angeschlossenen Erdwärmesonden zu berücksichtigen. Um den Gesamtdruckverlust der Erdwärmesondenanlage gering zu halten, sollten die Sammelleitungen auf direktem Weg vom Verteiler zur Wärmepumpe geführt werden. Damit die maximal zur Verfügung stehende Druckhöhe der Solepumpe nicht überschritten wird, muss insbesondere bei langen Anbindeleitungen die Rohrdimension gegebenenfalls größer gewählt werden. Absperreinrichtungen und andere Einbauten in der Leitungsstrecke müssen bei der Berechnung des Druckverlusts berücksichtigt werden. Bei Kleinanlagen bis 30 kw sollte der Druckverlust der Anbindeleitung 100 mbar nicht überschreiten Wärmepumpe mit Einbauten Bei der hydraulischen Auslegung ist der soleseitige Druckverlust der Wärmepumpe zu berücksichtigen. Es sind die technischen Daten des Wärmepumpenherstellers zu verwenden. 7.2 Installation/Errichtung der Anlage Allgemeiner Hinweis Erdwärmesondenanlagen sind in der Regel nach Wasserrecht genehmigungspflichtig (siehe VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 5). Vorbereitende Arbeiten Nach Auftragserteilung erfolgt die Anforderung aller notwendigen Unterlagen vom Auftraggeber (Bauherren, Planer, Installateure usw.) zur Planung der durchzuführenden Bohr- und Einbauarbeiten. Die Planung ist in Anlehnung an Abschnitt in Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber/Planer abzustimmen. Es sind wenigstens folgende Punkte zu klären: benötigte gesamte Entzugsleistung und -arbeit bekannte geologische/hydrogeologische Risiken Anzahl und Lage der Bohrungen Tiefe und Durchmesser der Bohrungen Art des Bohrverfahrens Sondenparameter Genehmigungen und Auflagen der zuständigen Behörden (Wasserbehörden, Bergämter, Umweltämter) sind seitens des Auftraggebers/Planers dem ausführenden Bohrunternehmen zu übergeben Bohrarbeiten Bezüglich der Ausführung der Bohrarbeiten gelten die gleichen Bestimmungen wie in Abschnitt Bohrunternehmen für Arbeiten im Rahmen der oberflächennahen Geothermie müssen gewährleisten, dass sie den Stand der Technik einhalten, z. B. durch Vorlage der entsprechenden Zertifizierung nach DVGW W Entsprechend den Ergebnissen der Feldaufnahme, z. B. Untersuchung von Spülgutproben, ist durch die bauleitende Fachkraft, den Geräteführer oder Geologen ein endgültiges Schichtenprofil gemäß DIN EN ISO sowie ein Ausbauplan in Anlehnung an DIN 4943 zu erarbeiten. Wichtiger Hinweis Bei Abweichungen vom erwarteten Schichtenprofil ist die Planung zu überprüfen. Die umweltrelevanten Punkte nach VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 8.4 und Abschnitt 9.1 sind zu beachten. Der Bohrdurchmesser ist so zu wählen, dass ein beschädigungsfreier Einbau der Sondenrohre und eine lückenlose Verfüllung möglich sind Herstellung von Erdwärmesonden Erdwärmesonden sind geschlossene Wärmeübertrager, die vertikal oder schräg in den Untergrund eingebracht werden und zum Entzug und/ oder zur Einleitung von Wärme aus dem/in den Untergrund dienen. Sie bestehen aus einem am tiefsten Punkt befindlichen Sondenfuß, einem oder mehreren am Sondenfuß angebrachten Sondenrohren und je nach Bauart aus einem Sondenkopf. Je nach Anwendungsfall können verschiedene Erdwärmesondenarten zur Wärmeübertragung eingesetzt werden. Die bedeutendsten Sondenbauarten sind Doppel-U-Sonden, Einfach-U-Sonden und Koaxialsonden (siehe Bild 11). Es gibt verschiedene Sonderformen von Sondenbauarten, die hier nicht näher beschrieben sind. Auch für diese Sonderformen von Erdwärmesonden gelten die in den jeweiligen Abschnitten beschriebenen Anforderungen an die Herstellung und Qualitätssicherung. Wärmerohre stellen eine besondere Form von Erdwärmesonden dar und werden in Abschnitt beschrieben. Erdwärmesonden müssen aus korrosionsbeständigem Material gefertigt werden. Die Materialauswahl muss nach den Vorgaben in Abschnitt 12 erfolgen. Werden zur Herstellung von Erdwärmesonden oder Anbindeleitungen Sonderformteile verwendet, die nicht den in Abschnitt 12 genannten

35 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 35 Normen entsprechen, müssen wenigstens die dort definierten materialspezifischen Zeitstandinnen- Druckanforderungen erfüllt werden. Bild 11. Verschiedene Bauarten von Erdwärmesonden im Querschnitt (Bemaßung: typische Anhaltswerte) Herstellung von Erdwärmesonden aus Kunststoff Die Herstellung und Endprüfung von Erdwärmesonden aus Kunststoff hat werkseitig zu erfolgen. Der Hersteller unterwirft den Herstellungsprozess einer Fremdüberwachung durch ein akkreditiertes Prüfinstitut. Das Prüfinstitut muss in einem mindestens halbjährlichen Überwachungsturnus die gestellten Anforderungen überwachen. Die für die Herstellung der Erdwärmesonde verwendeten Einzelkomponenten, wie Sondenrohre, Sondenfüße, Sondenköpfe oder andere Komponenten, sind im Rahmen der Fremdüberwachung gleichfalls zu prüfen. Die verwendeten Einzelkomponenten aus PE 100, PE 100 RC und PE RT müssen den Anforderungen der Prüf- und Überwachungsbestimmungen der SKZ HR 3.26 oder gleichwertiger Überwachungsbestimmungen entsprechen. Für die Herstellung von Erdwärmesonden und deren Komponenten sollten robuste polymere Werkstoffe, wie PE 100 RC oder PE-X, verwendet werden. Alle weiteren für die Herstellung verwendbaren Werkstoffe sowie die spezifischen Anforderungen werden in Abschnitt 12 genauer beschrieben. Erdwärmesonden aus Kunststoff bestehen aus einem Sondenfuß und endlosen Sondenrohren. Die Verbindung zwischen Sondenfuß und den Sondenrohren ist werkseitig mittels eines stoffschlüssigen Verfahrens herzustellen. Weitere Zwischenschweißungen innerhalb des vertikalen Rohrbereichs sind hierbei nicht zulässig. Der Sondenfuß muss mit den Sondenrohren werkseitig mittels Heizelementstumpfschweißen, Heizelementmuffenschweißen oder Heizwendelschweißen verbunden werden. Heizwendelschweißungen mit im Formteil offenliegenden Heizwendeln sind nicht zulässig. Dies gilt auch für Koaxialsonden bis 90 mm Außendurchmesser. Bei der Anwendung von Schweißverfahren ist ein in DVS beschriebenes Verfahren zu verwenden. Für die Herstellung der Schweißverbindungen dürfen nur nach DVS geprüfte und automatisierte Geräte verwendet werden. Die Schweißung darf nur durch einen geprüften Schweißer mit einer für das Schweißverfahren gültigen Prüfbescheinigung durchgeführt werden. Jede durchgeführte Schweißung ist zur Qualitätssicherung zu dokumentieren. Durch einen automatisierten und protokollierten Schweißablauf wird eine gleichbleibende Fertigungsqualität sichergestellt, welche durch eine Eigen- und Fremdüberwachung zu bestätigen ist. Sofern Sondenrohre mit einem Sondenkopf verbunden werden, kann die Herstellung dieser Verbindung auch auf der Baustelle erfolgen, wenn die für das Verfahren geltenden technischen Regeln eingehalten werden. Für die Verbindung zwischen Sondenrohren mit einem Sondenkopf können neben stoffschlüssigen auch mechanisch Verbindungen ausgeführt werden, sofern die Zugänglichkeit zu der Verbindung dauerhaft, z. B. durch einen Schacht, gegeben ist. Der Schacht muss zum Erdreich hin soledicht ausgeführt sein. Ist eine werkseitige Herstellung einer Erdwärmesonde aufgrund eines großen Rohrdurchmessers nicht möglich, so kann mittels eines stoffschlüssigen Verfahrens die Verbindung der einzelnen Erdwärmesondenkomponenten auf der Baustelle erfolgen, sofern die für das Verfahren geltenden technischen Regeln eingehalten werden. Die Verarbeiter müssen im Besitz einer gültigen Prüfbescheinigung für das jeweilige Schweißverfahren sein. Die auf der Baustelle hergestellten Verbindungen sind entsprechend der materialspezifischen Druckanforderungen zu prüfen.

36 36 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf Herstellung von Erdwärmesonden aus anderen Materialien Die Herstellung und Funktionsendprüfung von Erdwärmesonden aus anderen Materialien (z. B. Metall) hat, sofern möglich, werkseitig zu erfolgen. Eine Montage von Einzelkomponenten auf der Baustelle ist nur dann zulässig, wenn vor Ort die für die Herstellung der Verbindungen geltenden technischen Regeln eingehalten werden und nach Fertigstellung der Erdwärmesonde eine nochmalige Funktionsendprüfung durchgeführt wird. Bei der Auswahl von Materialien zur Herstellung von Erdwärmesonden aus Metall oder anderen Materialien ist im Besonderen darauf zu achten, dass Maßnahmen ergriffen werden, um die Materialien im eingebauten Zustand vor Korrosion zu schützen. Die Materialien müssen ebenfalls die an den Einsatzzweck gestellten Anforderungen, insbesondere des Drucks, der Temperatur und der Lebensdauer, erfüllen. Hierbei dürfen die Anforderungen, welche an Erdwärmesonden aus Kunststoff gestellt werden, nicht unterschritten werden. Für die Verbindung zwischen dem Sondenfuß und den Sondenrohren ist grundsätzlich eine stoffschlüssige Verbindung vorzusehen. Die an den Sondenfuß angebundenen Sondenrohre sollten durchgängig sein und möglichst keine weitere Verbindung aufweisen. Werden die Sondenrohre mit einem Sondenkopf verbunden, so kann diese Verbindung auch mechanisch lösbar ausgeführt werden, sofern die Zugänglichkeit, z. B. in einem Schacht, dauerhaft sichergestellt werden kann Wärmerohr als Erdwärmesonde Die Wärmerohrtechnik zielt darauf ab, den isobaren Phasenwechsel eines Kältemittels, z. B. Kohlendioxid, flüssig zu gasförmig in einem vertikal in den Untergrund eingebrachtem Wärmerohr zu nutzen. Dabei verdampft flüssiges Kältemittel in den tieferen Bereichen (Heizzonen) des Wärmerohrs. Durch die übertragene Erdwärme, steigt im Rohrinneren das Kältemittel als Dampf mit geringerer Dichte auf, kondensiert im oberen kalten Bereich (Kondensator) und fließt selbsttätig in Form eines Rieselfilms an der Rohrwand wieder nach unten, um erneut zu verdampfen (siehe Bild 12). Der Wärmetransport erfolgt bei einer Temperatur, die über den eingestellten Druck im Wärmerohr vorgegeben ist. Als Wärmeträgermedien kommen grundsätzlich verschiedene Materialien, z. B. CO 2, Propan, Ammoniak oder verschiedene organische Verbindungen, in Frage. Aus Gründen des Grundwasserschutzes scheiden Ammoniak und die meisten organischen Verbindungen aus. Bild 12. Schema eines Wärmerohrs Dokumentation bei der Herstellung von Erdwärmesonden Bei der Herstellung von Erdwärmesonden sind folgende Angaben zu dokumentieren: Herstelleridentifikation Material gemäß Abschnitt 11 Rohrabmessungen (Durchmesser, Wanddicke) Chargenkennung oder Herstelldatum erfüllte Normen und Prüfkennzeichen bei werkseitiger Fertigung: Längenkennzeichnung (in Meter, mit 0 m am Sondenfuß beginnend) Einbau von Erdwärmesonden Erdwärmesonden werden industriell gefertigt und komplett mit Sondenfuß vor Auslieferung auf Dichtheit geprüft. Das Ergebnis wird in einem Prüfprotokoll dokumentiert und ist Bestandteil des Produkts. Diese Sonden werden dann auf der Baustelle durch das Bohrunternehmen eingebaut und anschließend der Bohrlochringraum mit einer Verfüllsuspension verpresst. Der sachgemäße Einbau der Sonde und die sorgfältige Verfüllung des Bohrlochringraums sind die Grundvoraussetzungen für einen einwandfreien Betrieb. Generell hat die Handhabung der Sonden auf der Baustelle mit größter Sorgfalt zu erfolgen, um mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Knicke oder tiefe Kerben und Riefen sind als Beschä-

37 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 37 digung anzusehen. Die Anfälligkeit für eine Beschädigung ist materialabhängig; es dürfen nur nach Abschnitt 12 als unbedenklich eingestufte Rohre eingebaut werden. Der Einbau der Sonde gliedert sich in folgende Arbeitsschritte, die in einem Prüf- und Abnahmeprotokoll festgehalten werden: Die im Werk gefertigten, geprüften und verpackten Erdwärmesonden werden auf die Baustelle transportiert und müssen dort nach einer Prüfung auf Transportschäden sicher gelagert werden. Eine Beschädigung während der Lagerung, z. B. durch sonstige Arbeiten auf der Baustelle, muss ausgeschlossen sein. Um das Einbringen der Erdwärmesonde in wassergefüllten Bohrungen zu erleichtern, ist sie vor dem Einsetzen mit Wasser zu füllen. Bei trockener Bohrung ist die Sonde spätestens vor dem Verfüllen des Bohrlochs mit Wasser zu füllen, um ein Kollabieren der Rohre beim Überschreiten des kritischen Beuldrucks und/oder ein Aufschwimmen zu verhindern. Um Schäden (durch Transport, Lagerung usw.) vor dem Einbau zu erkennen, wird eine Sicht-, Druck- und Durchflussprüfung empfohlen. Durch den Einbau von Abstandshaltern zwischen Vor- und Rücklauf kann der Bohrlochwiderstand erheblich und damit auch der Temperaturgradient zur Übertragung einer bestimmten thermischen Leistung vermindert werden. Zentriereinrichtungen im Bohrloch wirken diesem positiven Effekt entgegen. Zur Verfüllung des Bohrlochringraums ist bereits beim Einbau der Sonde ein Verfüllrohr bis zum Sondenfuß (maximaler Abstand 20 cm) einzubringen und muss im Bohrloch verbleiben. In Sonderfällen kann ein zweites Injektionsrohr notwendig sein. Der Einbau der Sondenrohre direkt ins Bohrloch muss über eine Haspel erfolgen, die gegebenenfalls gebremst werden kann, was insbesondere bei tieferen Bohrungen wichtig ist. Beim Einbau von Erdwärmesonden mit einer Tiefe von mehr als 150 m ist zu berücksichtigen, dass bei den Sondenrohren die zulässigen materialspezifischen Druckbereiche nicht überschritten werden dürfen. Vom Einbau der Sonden bis zum Abbinden der Hinterfüllung dürfen der zulässige Beuldruck der Erdwärmesondenrohre (z. B. PE 100: maximal 8 bar äußerer Überdruck bei 20 C) sowie der zulässige innere Überdruck (z. B. PE 100: maximal 21 bar bei 20 C) nicht überschritten werden. Der tiefenabhängige Temperaturanstieg und die Wärmeentwicklung beim Abbinden zementhaltiger Verfüllbaustoffe führen aufgrund der temperaturabhängigen Materialkennwerte zur Reduzierung der zulässigen Drücke. Daher müssen beim Einbau tiefer Erdwärmesonden das Auffüllen mit Wasser und die Verfüllung des Bohrlochs schrittweise erfolgen. Die genauen Tiefen sind von den Standortbedingungen abhängig und sind im Einzelfall festzulegen. Für andere Materialien und spezielle Sondenkonstruktionen sind die Angaben der Hersteller zu beachten. Zum Einsetzen der Erdwärmesonde in das Bohrloch ist es zweckmäßig, am Sondenfuß ein Gewicht anzubringen, um die Auftriebskräfte zu kompensieren. Ein Einschieben in das Bohrloch von der Erdoberfläche ist nur begrenzt möglich. Der Einsatz eines Schubgestänges, auch wenn es die Kraft am Sondenfuß einleitet, ist nicht zu empfehlen. Nach dem Einbau der Erdwärmesonde, aber noch vor dem Verfüllen des Ringraums, wird eine nochmalige Druck- und Durchflussprüfung der mit Wasser gefüllten Sonde empfohlen, um Beschädigungen durch den Einbau zu erkennen. Das Verfüllen des Ringraums des Bohrlochs erfolgt gemäß Abschnitt Funktionsendprüfung der mit Wasser gefüllten Erdwärmesonde (Druck- und Durchflussprüfung nach Abschnitt 7.2.9) In Monaten mit Frostgefahr ist die Erdwärmesonde bis zum Anschluss und der endgültigen Befüllung durch Druckluft teilweise zu entleeren (Flüssigkeitsstand ca. 2 m unter GOK). Die Erdwärmesonde wird bis zum Anschluss mit Kappen dicht verschlossen und gesichert Verfüllbaustoffe/Ringraumverfüllung Nach dem Einbringen der Erdwärmesonde muss das gesamte Bohrloch durch eine sachgemäße Verpressung wieder verfüllt werden. Die Verfüllung dient der Sicherstellung des Wärmetransports vom Gestein an das Wärmeträgermedium bei Wärmeentzug und umgekehrt bei Wärmeeinspeisung. Sie dichtet das Bohrloch ab, um einen Eintrag von Schadstoffen zu verhindern sowie um eventuell durchteufte Grundwasserstockwerke wieder voneinander zu trennen. Die Gefahr einer Beschädigung der Sondenrohre durch Punktlasten im Bohrloch wird dadurch minimiert. Die Abdichtung des Bohrlochs unterliegt einer Reihe von Einflussfaktoren, die nicht allein dem Baustoff zuzurechnen sind, sondern auch den Ein-

38 38 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 bauten und der Beschaffenheit der Bohrung. Daher darf zur Bewertung der Abdichtung nicht der Verfüllbaustoff allein herangezogen werden, sondern es muss das Gesamtsystem, bestehend aus Bohrloch mit allen Einbauten und ihrer geometrischen Anordnung sowie dem einhüllenden Verfüllbaustoff, in seinem Zusammenspiel betrachtet werden. Die Durchlässigkeit eines Materials wird nach dem Darcy-Gesetz (siehe Gleichung (6)) durch den Durchlässigkeitsbeiwert k f charakterisiert. Im Fall einer Erdwärmesondenbohrung ist dieses Konzept auf das Gesamtsystem (Bohrloch mit allen Einbauten und ihrer geometrischen Anordnung sowie dem einhüllenden Verfüllbaustoff) zu übertragen, dann spricht man von Systemdurchlässigkeit. V kf i A = (6) Dabei ist VV Durchflussrate in m 3 /h A Querschnittsfläche in m 2 k f Durchlässigkeitsbeiwert in m/s i hydraulischer Gradient (dimensionslos), siehe Gleichung (7) dh i( x) = grad ( h( x) ) = (7) dx Der Durchlässigkeitsbeiwert von Gesteinsproben wird gemäß Gleichung (8) nach DIN ermittelt. Dieser Modellansatz geht von einem homogenen, porösen Körper aus, der durchströmt wird. V l g k ρ f = (8) A p Dabei ist Δp Druckdifferenz in N/m 2 l durchströmte Länge des porösen Körpers in m ρρ Dichte des Fluids in kg/m 3 g Erdbeschleunigung 9,81 m/s 2 Überträgt man dieses Konzept auf eine als Erdwärmesonde ausgebaute Bohrung, bedeutet dies, dass alle Einbauten und Störungen in der Bohrung bei einer Messung integral zu berücksichtigen sind. In diesem Fall wird der Durchlässigkeitsbeiwert des Systems Erdwärmesonde ermittelt. Einflussfaktoren auf die Durchlässigkeit sind dabei: Geometrie der Erdwärmesonde: Länge des betrachteten Abschnitts, Durchmesser der Bohrung, Anzahl und Lage der Einbauten Verfüllmaterial: Baustoffeigenschaften, Wasser-/Feststoffwert, Verfahrenstechnik Anmischen und Verpressen, Homogenität des Materials, Alter der erhärteten Suspension, thermische Belastung Einbauten: Sondenrohre, Material und Oberflächenbeschaffenheit der Sondenrohre und des Verfüllrohrs, Abstandshalter, Zentriereinrichtungen usw. Weitere Einflussfaktoren können Art der Bohrlochwandung, eventuell Spülungsrückstände usw. sein Verfüllvorgang/Verpressung Die Verfüllung einer Bohrung ist direkt im Anschluss an den Einbau der Sondenrohre durchzuführen. Voraussetzung für eine gute thermische Anbindung an das Gebirge und die Abdichtung der Bohrung ist eine einwandfreie Verfüllung ohne Lufteinschlüsse und Hohlräume. Daher muss der Verfüllvorgang über ein mitgeführtes Injektionsrohr im Kontraktorverfahren vom Sondenfuß bis zum Bohransatzpunkt ohne Unterbrechung durchgeführt werden. Ein Verfüllen des Ringraums von der Geländeoberfläche aus ist nicht zulässig. Das theoretische freie Bohrlochvolumen ist im Vorfeld zu berechnen und die erforderliche Menge an Verfüllbaustoff mit einem Sicherheitszuschlag auf der Baustelle vorzuhalten. (Bei Lockergestein gibt die geförderte Menge des Bohrguts einen Hinweis auf das Bohrlochvolumen.) Übersteigt die tatsächlich eingebrachte Suspensionsmenge während des Verfüllvorgangs das Doppelte der berechneten Menge, ist die zuständige Behörde zu informieren und ein fachgerechter Lösungsvorschlag vorzulegen. Es ist eine mit allen Beteiligten abgestimmte weitere Vorgehensweise festzulegen. Verfüllmengen und Messergebnisse der Suspensionsdichtekontrolle sind in einem Verfüllprotokoll zu dokumentieren (Beispiel siehe Anhang B). Der Verpressvorgang ist erst dann vollständig abgeschlossen, wenn die Dichte der am Bohransatzpunkt austretenden Suspension mit der im Datenblatt des Baustoffherstellers angegebenen übereinstimmt. Das Injektionsrohr ist nicht zu ziehen und im Bohrloch zu belassen. Muss aus bohrtechnischen Gründen z. B. eine thixotrope Bohrspülung eingesetzt werden, die nicht ausgespült werden kann und einen Einbau der Sondenrohre allein mit Gewichten nicht mehr zulässt, kann ausnahmsweise ein Einbaugestänge verwendet werden. Wird dieses Gestänge als Verpressrohr genutzt, muss es in seiner Gesamtlänge im Bohrloch verbleiben bis das Verfüllmaterial am Bohransatzpunkt austritt. Ein solches Verpressrohr

39 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 39 kann nur dann abschnittsweise gezogen werden, wenn durch messtechnische Überwachung gewährleistet ist, dass die Verpressung unter dem Suspensionsspiegel erfolgt. Der Einbau der Sonde mit Gestänge muss mit besonderer Sorgfalt erfolgen, da eine erhöhte Gefahr besteht, die Kunststoffrohre zu beschädigen. Auf ein ausreichend großes Gewicht am Sondenfuß darf dennoch nicht verzichtet werden, um beim Verfüllen ein Aufschwimmen der Sonde zu vermeiden. Das Verfüllgestänge darf nach Abschluss des Verfüllvorgangs keinesfalls im Bohrloch mit Klarwasser gespült werden. Eine Schutzverrohrung muss solange im Bohrloch verbleiben, bis die Verfüllsuspension am Bohransatzpunkt austritt. Dann kann die Verrohrung gezogen und das Bohrloch entsprechend nachverpresst werden. Bei großen Verrohrungstiefen ist ein abschnittsweise erfolgendes Ziehen möglich. Dabei muss der Suspensionsspiegel stets innerhalb der Verrohrung stehen. Absackungen der Suspensionssäule sind unter Berücksichtigung der nachfolgenden horizontalen Anschlussarbeiten, z. B. Biegeradius der Sondenrohre, entsprechend aufzufüllen. Die Maschinentechnik, bestehend aus Mischer, Pumpe und Injektionsschlauch/-rohr, ist im Vorfeld genau zu prüfen. Dabei ist der Mischer auf den verwendeten Baustoff hinsichtlich der Qualität der Suspension abzustimmen. Die Empfehlungen der Baustoffhersteller sind zu berücksichtigen. Die Pumpe ist unter Berücksichtigung der Konsistenz des Baustoffs, des Verfüllrohrquerschnitts und vor allem der Tiefe der Bohrung auszuwählen. Nur sorgfältig ausgewählte Systeme gewährleisten einen kontinuierlichen Verfüllvorgang. Durch Befüllung der Sonden mit Wasser und anschließendem druckdichten Verschließen der Sonde bis zum Erreichen der Stichfestigkeit der Verfüllung wird ein Überschreiten des Beuldrucks der Sonden und somit ein Kollabieren verhindert. Grundsätzlich sind beim Verfüllen die Einsatzgrenzen der Sondenrohre, charakterisiert durch den Beul- und den maximal zulässigen Betriebsdruck, zu beachten. Diese Grenzen werden bei tieferen Erdwärmesonden, z. B. ab 150 m, oder bei Verfüllsuspensionen höherer Dichte, z. B. ab 1500 kg/m 3, erreicht. Hier ist ein Verfüllkonzept dem Auftraggeber vor Beginn der Arbeiten vorzulegen. Zu beachten ist: Material, Druckstufe und Durchmesser der Sondenrohre und des Injektionsrohrs Auswahl des Verfüllmaterials gegebenenfalls Einbau mehrerer Injektionsrohre (Pumpendruck) Hinweise Wird die Dichtheit über Druckprüfungen an den Sondenrohren ermittelt (siehe Abschnitt 7.2.9), so müssen diese vor dem Einsetzen der Stichfestigkeit der verwendeten Suspension abgeschlossen sein. Der Zeitraum des Erstarrungsanfangs ist von der Zusammensetzung der Baustoffe abhängig und ist deshalb beim jeweiligen Hersteller abzufragen. Bei der Durchführung eines Thermal-Response- Tests ist die Hydratationswärmeentwicklung einer Suspension, die beim Abbindeprozess entsteht, zu berücksichtigen. Der Test sollte erst durchgeführt werden, wenn nur noch eine vernachlässigbare Wärmeentwicklung zu erwarten ist. Diese Kenngröße ist beim Baustoffhersteller abzufragen. Unterhalb einer Suspensionstemperatur von 5 C sind die Verfüllarbeiten einzustellen Anforderungen an den Verfüllbaustoff Der Verfüllbaustoff muss bei Ermittlung der Durchlässigkeit an einer Materialprobe in Anlehnung an DIN einen Durchlässigkeitsbeiwert k f von m/s aufweisen. Dieser Durchlässigkeitsbeiwert des Materials darf nicht mit dem Durchlässigkeitsbeiwert des Systems Erdwärmesonde (nach Abschnitt 7.2.4) verwechselt werden. Grundsätzlich dürfen nur werksseitig hergestellte Fertigbaustoffe eingesetzt werden, die nur noch mit einer definierten Menge Wasser angemischt werden müssen. Diese speziell für Erdwärmesonden entwickelten werksfertigen Baustoffe unterliegen einer stetigen Qualitätskontrolle und haben dadurch garantierte, gleichbleibende Eigenschaften Wasser-/Feststoffwert und Suspensionsdichte Beim Anmischen einer Suspension ist der vom Hersteller angegebene Wasser-/Feststoffwert (W/F-Wert) einzuhalten. Dieser Wert gibt das Massenverhältnis von Wasser und Baustoff vor. Nur so können die technischen Daten eingehalten werden. Das richtige Mischungsverhältnis von Wasser und Baustoff ist auf der Baustelle durch Suspensionsdichtemessungen zu kontrollieren. Übliche Verfahren sind: Suspensionsdichtemessung mit der Spülungswaage Suspensionsdichtemessung mit dem Aräometer Suspensionsdichtemessung durch Wägung eines definierten Volumens

40 40 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Um nach Beendigung der Bohrarbeiten eventuell im Bohrlochringraum verbliebene Bohrspülung ohne Mischzonen zu verdrängen, muss die Suspensionsdichte der verwendeten Suspension mindestens 1300 kg/m 3 betragen, in jedem Fall größer als die Dichte der Bohrspülung Suspensionsstabilität und Rheologie Ausreichende Fließeigenschaften der Suspensionen sind die Voraussetzung für eine sichere und hohlraumfreie Verfüllung. Die Viskosität des Baustoffs muss so beschaffen sein, dass alle Hohlräume über die Gesamtlänge der Bohrung trotz Fließhindernissen, wie Abstandhalter, Zentrierungen und Rohre, aufgefüllt werden. Ein Maß für die Viskosität stellt die Trichterauslaufzeit (Marshzeit) dar. Dies ist die Zeit, die 1 l Suspension benötigt, um aus dem Marshtrichter (nach DIN 4126 und DIN 4127) zu laufen. Erfahrungsgemäß liegen gut zu verarbeitende Suspensionen bei einer Marshzeit von 50 s bis 100 s. Die Stabilität einer Suspension wird über das Sedimentationsverhalten beurteilt und über das Wasserabsetzmaß (% Volumenanteil) bestimmt. Dazu wird ein 250-ml-Messzylinder mit der jeweiligen Suspension gefüllt und mit einer Folie abgedeckt, um Verdunstungen zu vermeiden. Nach 3 h wird das Volumen des überstehenden Wassers bestimmt und ins Verhältnis zum Gesamtvolumen gebracht. Je größer das Wasserabsetzen ist, desto geringer ist die Suspensionsstabilität. Eine geringe Suspensionsstabilität führt zu ungleichmäßigen Dichteverteilungen im Bohrlochringraum und kann bis zum Abriss der Füllsäule führen. Daher sollte das Wasserabsetzen einer Suspension einen Wert von 2 % nicht überschreiten Druckfestigkeit und Hydratationswärme Die Druckfestigkeit eines ausgehärteten Baustoffs (28 Tage) ist mitentscheidend für den dauerhaften Widerstand. Als Mindestkriterium gilt die Druckfestigkeit von 1 N/mm 2, damit der Baustoff eine Erosionsstabilität aufweist. Beim Abbindeprozess einer Suspension entsteht Hydratationswärme, die im Wesentlichen von der Sorte und Menge des verwendeten Zements abhängt. Wegen der Temperaturabhängigkeit des Beuldrucks der Sondenrohre sollte die unter adiabatischen Bedingungen gemessene Hydratationswärmeentwicklung einen Wert von 30 C nicht überschreiten Erhöhter Frost-Tau-Widerstand Beim Betrieb von mit Erdwärmesonden gekoppelten Wärmepumpen kann mit Temperaturen der Wärmeträgerflüssigkeit von unter 0 C gearbeitet werden. Der temporäre Betrieb im negativen Temperaturbereich kann unterschiedliche Gründe haben, z. B. die Abdeckung von Spitzenlasten. Dabei muss davon ausgegangen werden, dass es zu einem zyklischen Einfrieren und Wiederauftauen des umgebenden Verpressmaterials kommt. Dieser Lastfall wird im Allgemeinen Frost-Tau-Wechsel genannt. Verfüllbaustoffe, die solchen Belastungen gegenüber nicht ausreichend widerstandsfähig sind, verlieren durch entstandene Gefügeschäden die Festigkeitseigenschaften und die Abdichtungsfunktion. Daher dürfen für diese Betriebsweise nur Baustoffe eingesetzt werden, deren Eigenschaften sich bei einem geeigneten Frost-Tau-Prüfverfahren höchstens im nachfolgend genannten Maß verändern. Ein geeignetes Prüfverfahren ist in Anhang C beschrieben. Die Veränderung des Durchlässigkeitsbeiwerts (in der Regel Anstieg der Durchlässigkeit) im Prüfapparat bei Ermittlung gemäß einem Verfahren wie in Anhang C darf nach sechs Frost-Tau-Wechseln gegenüber dem Wert der ungefrosteten Probe im Prüfapparat nur eine Zehnerpotenz betragen. Solche Baustoffe sind als widerstandsfähig gegenüber Frost-Tau-Wechseln bei Anwendung in einer geothermischen Anlage zu verstehen. Die Prüfungen sind zu wiederholen, wenn die Baustoffzusammensetzung geändert wird, spätestens aber nach drei Jahren. Die Durchlässigkeitsbeiwerte im Prüfapparat vor und nach den Frost-Tau-Wechseln dürfen nicht mit dem in Abschnitt geforderten Durchlässigkeitsbeiwert für das Material an sich verwechselt werden, der ebenfalls einzuhalten ist; ebenso darf er nicht mit dem Durchlässigkeitsbeiwert des Systems Erdwärmesonde (nach Abschnitt 7.2.4) verwechselt werden Wärmeleitfähigkeit Um eine optimale Wärmeübertragung zwischen dem Untergrund und dem Sondenfluid zu erreichen, sollte die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllbaustoffs möglichst so hoch sein wie die des umliegenden Gesteins. Marktgängige Verfüllbaustoffe unterscheidet man in Standardverfüllbaustoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit von rund 0,8 W/(m K) und thermisch optimierten Baustoffen mit einer Wärmeleitfähigkeit bis ca. 2,0 W/(m K). Die Verwendung eines thermisch optimierten Baustoffs führt im Vergleich zu Standardbaustoffen zu einer Reduzierung des thermischen Bohrlochwiderstands. Dadurch stellt sich bei gleicher Tempera-

41 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 41 turdifferenz zwischen Untergrund und Sondenfluid ein höherer Wärmestrom ein Widerstand gegenüber betonaggressiven Grundwässern Es können bei geothermischen Bohrungen betonaggressive Grundwässer angetroffen werden. Es sind ausreichend widerstandsfähige Verfüllbaustoffe einzusetzen. Sonst kann es zu Schädigungen am Baustoffkörper kommen und Wasserwegsamkeiten können die Folge sein. Für die Abschätzung des Angriffspotenzials eines Grundwassers wird die DIN EN 206 herangezogen; dort sind betonangreifende Wasserinhaltsstoffe definiert Wasserhygienische Beurteilung Da die eingesetzten Verfüllbaustoffe im direkten Kontakt mit dem Grundwasser stehen, ist die wasserhygienische Unbedenklichkeit vor dem Einbau nachzuweisen. Vom jeweiligen Hersteller ist ein Hygienenachweis anzufordern, indem alle umweltrelevanten Parameter anhand einer Feststoff- und Eluatanalyse geprüft und entsprechend eingestuft sind. Ein Sicherheitsdatenblatt reicht nicht aus, um die Umweltrelevanz zu beurteilen, da dort lediglich eine Selbsteinstufung des Herstellers angegeben ist Sonderfälle Bei der Verfüllung von Erdwärmesondenbohrungen in klüftigem Untergrund sind die Lokalisierung der Klüfte und der Kluftzonen sowie deren Erscheinungsbild (eine Kluft, Kluftzonen, Tiefenlage, Mächtigkeit usw.) wesentlich für die Entscheidung, die Bohrung fortzuführen und einen sicheren Sondeneinbau sowie eine fachgerechte Verfüllung sicherzustellen. Je nach Tiefenlage der Kluft oder Kluftzone und nach hydrogeologischen Gesichtspunkten ist in Abstimmung mit der zuständigen Behörde der Ringraum mit Sand/Kies oder entsprechend mit Tonpellets zu verfüllen. Technische Lösungen zum Verfüllvorgang bei Klüften oder Kluftzonen können den Einsatz von mehreren Injektionsrohren bedingen oder kann über ein Injektionsgestänge erfolgen, das mit dem Verfüllspiegel entsprechend ausgebaut wird. Neben einer verlorenen Verrohrung kann eine Kluftzone auch über den Einsatz eines Erdwärmesondengewebepackers oder eines Erdwärmesondenstrumpfs entsprechend überbrückt werden Verlegung der Leitungen Es wird empfohlen die Erdwärmesondenrohre vor Anschluss an die Anbindeleitung sorgfältig über ein offenes Gefäß zu spülen und auf Verschmutzung zu prüfen. Dabei muss mindestens der dreifache Inhalt der Sondenrohre durchgesetzt werden. Die Verlegung der horizontalen Anschlussleitungen muss entsprechend den Vorgaben für die verwendeten Rohrmaterialien erfolgen. Grundsätzlich ist DVGW W zu beachten. Hinsichtlich der zulässigen Biegeradien, der Bettung der Rohrleitungen und der Verarbeitung beim Schweißen sind die Verlegerichtlinien der Hersteller zu berücksichtigen. Außerhalb von zugänglichen Schächten sind alle Verbindungen unlösbar und stoffschlüssig auszuführen. Für alle Verbindungen der Erdwärmesonden, der horizontalen Anbindung, einschließlich etwaiger Y-förmiger Zusammenführungen, sind folgende Schweißverfahren zulässig: Heizelementstumpfschweißen, Heizelementmuffenschweißen und Heizwendelschweißen. Alle Schweißverbindungen sind zu protokollieren (siehe DVS und DVS ). Als Ausnahme sind bei der Verwendung von PE-X auch unlösbare Pressverbindungen zulässig. Sofern diese Verbindungen aus Metall bestehen, müssen sie zusätzlich vor Korrosion geschützt werden, z. B. durch Überschrumpfen mit einem Schrumpfschlauch mit Kleber. Bei Anlagen mit reinem Wasser als Wärmeträgermedium hat die Verlegung frostsicher zu erfolgen. Die Erdwärmesonden sollen generell einzeln zum Verteiler geführt und dort parallel angeschlossen werden. In Sonderfällen ist bei besonders flachen Sonden (bis maximal 40 m) aus hydraulischen Gründen auch eine serielle Verschaltung bis zu maximal 120 m Gesamtlänge (inklusive der Verbindungen von Sonde zu Sonde) sinnvoll, allerdings sollte dann jeweils ein U-Rohr eines Bohrlochs mit einem U-Rohr der nächsten Bohrung verbunden werden. Beide Kreise werden jeweils getrennt zum Verteiler geführt und dort parallel angeschlossen. Am höchsten Punkt der Anlage ist eine entsprechende Entlüftungseinrichtung vorzusehen. Bei der Verwendung von Sole im Erdwärmesondenkreislauf sollten keine automatischen Entlüfter eingebaut werden. Am Verteiler sind die einzelnen Erdwärmesonden mit Absperrventilen im Vor- und Rücklauf zur separaten Befüllung, Spülung und Druckprüfung auszurüsten. Die Einzelsonden sind durch geeignete Maßnahmen hydraulisch miteinander abzugleichen, um eine gleichmäßige Durchströmung zu erreichen. Zur Minimierung des Dämmaufwands sollten Verteiler außerhalb des Gebäudes installiert werden. Erfolgt die Installation der Verteiler innerhalb des

42 42 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Gebäudes, sind Vorrichtungen zum Sammeln und Ableiten des anfallenden Kondenswassers vorzusehen, oder die Anlagenteile sind diffusionsdicht entsprechend DIN 4140 zu dämmen. Die Soleleitungen, die im Aufstellungsraum installiert werden, sind in jedem Fall diffusionsdicht zu dämmen. Die Wanddurchführungen sind fachgerecht zu verschließen. Die Installation von Verteilern sollte in soledichten Verteilerschächten erfolgen, um für den Fall von Leckagen beim Befüllen oder an lösbaren Verbindungen die austretende Sole sicher aufzufangen. Kalte Anlagenteile im Untergrund sollten zu Verund Entsorgungsleitungen einen Abstand von mindestens 1 m einhalten. Wird der Abstand unterschritten, sind die entsprechenden Leitungsabschnitte zu dämmen. Nach Abschluss der Installationsarbeiten und vor dem Verfüllen der Gräben, erfolgt eine abschließende Dichtheits- und Durchflussprüfung (nach Abschnitt 7.2.9) Druckabsicherung Soleanlagen sind als geschlossenes System mit geeigneter Druckabsicherung auszuführen. Die Volumenänderung des Wärmeträgermediums ist durch die Installation eines Membranausdehnungsgefäßes nach DIN und DIN EN mit einem minimalen Vordruck von 1 bar auszugleichen. Der Betriebsdruck liegt 0,5 bar bis 0,9 bar über dem Vordruck. Zur Sicherung gegen Überfüllung ist ein bauteilgeprüftes Membransicherheitsventil einzubauen. Die Ausblasleitung dieses Sicherheitsventils muss in einer Auffangwanne enden (siehe DIN EN 12828). Zur Drucküberwachung ist ein Manometer mit Minimal- und Maximaldruckkennzeichnung vorzusehen. Wird die Anlage zum Heizen und Kühlen verwendet ist, das Ausdehnungsgefäß nach dem Kühlfall auszulegen und zu berechnen. Falls nicht bereits durch die Sicherheitsfunktionen der Wärmepumpe abgedeckt, wird empfohlen, eine Lecküberwachung mit Störmeldung und Abschaltung der Sole-Umwälzpumpe, vorzusehen, um den Austritt von Wärmeträgermedium weitestgehend zu verhindern Füllen und Entlüften Die Befüllung der Erdwärmesondenanlage darf nur mit dem außerhalb des Sondenkreislaufs angemischten Wärmeträgermedium vorgenommen werden. Das Wärmeträgermedium ist in der Regel ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (siehe auch VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 9.2). Das Mischungsverhältnis sollte, falls vom Wärmepumpenhersteller nicht anders vorgegeben, auf mindestens 5 K unter der vorgesehenen minimalen Verdampfungstemperatur eingestellt werden. Bei richtiger Dimensionierung der Erdwärmesondenanlage beträgt dieser Wert ca. 14 C. Es ist darauf zu achten, dass das Klarwasser aus dem Durchspülen der Anlage vollständig durch die Frostschutzmischung ersetzt wird. Die Erdwärmesonden sind einzeln bis zur vollständigen Luftfreiheit über ein offenes Gefäß zu befüllen. Abschließend muss die Konzentration des Frostschutzes nachgewiesen und in der Dokumentation protokolliert werden. Wegen möglicher Ausgasungen wird empfohlen, im ersten Betriebsjahr die Soleanlage durch die vorgesehenen Entlüftungseinrichtungen zu entlüften und gegebenenfalls nachzufüllen Inbetriebnahme Vor der Inbetriebnahme ist das Gesamtsystem einer Druck- und Durchflussprüfung nach Abschnitt zu unterziehen. Die Prüfbescheinigung ist der Dokumentation beizulegen und dem Betreiber auszuhändigen. Die Funktion aller Bauteile ist zu überprüfen und zu dokumentieren. Die gleichmäßige Durchströmung der einzelnen Erdwärmesonden ist zu überprüfen, gegebenenfalls nachzuregulieren und zu protokollieren. Die Anlage gilt als fachgerecht in Betrieb genommen, wenn die Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf den Auslegungswert erreicht hat. Die Betreiber der Anlagen sind in die Bedienung, die Wartung und das Verhalten im Störfall einzuweisen Druck- und Durchflussprüfung Druckprüfungen für geschlossene Wärmeübertrager im Untergrund (Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden usw. sowie unterirdisch verlegte Anschlussleitungen) erfolgen immer in Anlehnung an DIN EN 805 oder vergleichbare Normen, z. B. SN Nach der Anlieferung der Erdwärmesonden auf der Baustelle muss die Schutzverpackung auf Beschädigung hin kontrolliert werden. Nach dem Einbau der Erdwärmesonde, aber noch vor dem Verfüllen des Ringraums, wird eine Druck- und Durchflussprüfung der mit Wasser gefüllten Sonde empfohlen. Die Endprüfung nach erfolgter Ringraumverfüllung muss vor dem Abbinden des Verpressmaterials abgeschlossen sein (siehe Abschnitt ). Dabei ist der Prüfdruck so zu wählen, dass er über die gesamte Erdwärmesondenlänge größer als der jeweilige hydrostatische Druck

43 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 43 im Bohrloch ist. Der Überdruck sollte am Sondenfuß mindestens 0,5 bar aufweisen. Dabei ist darauf zu achten, dass der für die jeweiligen Rohrmaterialien und Rohrdimensionen zulässige innere Überdruck nicht überschritten wird, z. B. maximal 21 bar für PE 100 SDR 11. Die Durchflussmessung sollte als Druckdifferenzmessung bei konstanter Durchflussrate erfolgen. Die gemessene Druckdifferenz darf von der berechneten Druckdifferenz (siehe Abschnitt ) um nicht mehr als ±15 % abweichen. Bei Erdwärmesonden mit mehr als einem Rohrkreis, z. B. Doppel-U-Sonde ist jeder Kreis einzeln zu prüfen. 8 Besonderheiten von Anlagen mit Direktverdampfung 8.1 Auslegung Erdgekoppelte Wärmepumpen mit Direktverdampfung werden überwiegend in Anlagen mit Erdwärmekollektoren eingesetzt. Für Erdwärmesonden bis 40 m Bohrtiefe gelten die Bestimmungen der DIN 8901 sinngemäß. Die Auslegung erfolgt analog zur Solesondenanlage. Besonders ist bei der Sondenanlage auf die Ölrückführung zu achten. Die in Abschnitt 6.1 genannten Auslegungskriterien für die horizontalen Erdwärmekollektoren, insbesondere die spezifischen Entzugsleistungen (W/m 2 ) der einzelnen Klimazonen, sind auch für die Berechnung der Verlegefläche bei Direktverdampfungsanlagen zu verwenden. Grundlage für die Berechnung ist die Verdampferleistung. Nach der Prüfnorm (DIN EN , Tabelle 3) ist die Verdampferleistung im Prüfpunkt E+1,5 heranzuziehen. Bei Verwendung des Betriebspunkts E-1, z. B. E-1/W35 oder E-1/W50, ergibt sich eine geringere Verdampferleistung. Die damit berechnete Verlegefläche ist dann um 10 % zu erhöhen. Für die Verdampferleistung bei E+4 kann die Verlegefläche um 20 % bis 25 % gemindert werden. Bei Direktverdampfungsanlagen mit ihren niedrigeren Temperaturen am Rohr, muss der Rohrabstand besonders beachtet werden, um die Bildung einer durchgehenden Eisschicht im Winter zu vermeiden. Die Rohrabstände zueinander sollten daher 40 cm nicht unterschreiten. Der tatsächliche Verlegeabstand ergibt sich aus der berechneten Verlegefläche dividiert durch die tatsächlich verlegte gesamte Rohrlänge. Die Anzahl der Kollektorkreise ist den Herstellerangaben zu entnehmen. 8.2 Installation Sämtliche kältetechnischen Arbeiten sind durch Kälteanlagenbauer oder durch spezialisierte Fachhandwerker, die nach F-Gas-Verordnung zertifiziert sind, auszuführen Materialanforderungen Die verwendeten Materialien müssen der chemischen, thermischen und mechanischen Beanspruchung standhalten und gegen Korrosion beständig sein. Als Schutz vor Korrosion sind nur Verdampferrohre aus Kupfer in Kältequalität mit einem nahtlosen Schutzmantel aus PE, PP usw. mit einer Wandstärke von ca. 1 mm einzubauen. Anschlussleitungen, z. B. zum Sammelschacht, sind ebenfalls gegen Korrosion zu schützen und kältetechnisch zu dämmen. Eine Drainage des Sammelschachts ist vorzusehen Verlegung Die Verlegung der Verdampferrohre hat vollständig oberhalb des höchsten Grundwasserspiegels zu erfolgen. Als Empfehlung der Wassergesetze ist von einem Abstand von mindestens 1,0 m zum Grundwasserspiegel auszugehen. Für die Verdampferrohre werden vorzugsweise Rohrdurchmesser von 8 mm, 12 mm oder 15 mm (entsprechend Herstellerangaben) vorgesehen. Die Länge der Rohrkreise beträgt im Regelfall ca. 75 m. Es ist sicherzustellen, dass die Verlegefläche gleichmäßige thermische Eigenschaften hat. Bei der Verlegung der Rohrkreise ist darauf zu achten, dass der Strömungswiderstand der einzelnen Rohrkreise möglichst gleich ist. Die Kollektorrohre müssen bis zum Verlöten mit dem Verteiler geschlossen bleiben, sodass keine Feuchtigkeit eintreten kann. Sind im Verlegebereich Verbindungen nicht vermeidbar, so sind diese nur an dauernd zugänglichen Stellen zulässig, z. B. Schacht; dies gilt ausschließlich für Sicherheitskältemittel Verteiler Die Verteiler sind vorzugsweise als Venturi- Verteiler verlötet auszuführen und mit entsprechender Wärmedämmung zu versehen. Die Verteiler können auch außerhalb des Wärmepumpenraums, z. B. in einem Verteilerschacht, vorgesehen werden. Zum Schutz des Kompressors vor Flüssigkeitsschlägen ist eine entsprechende Vorrichtung vorzusehen Zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen Aus sicherheits- und betriebstechnischen Gründen sollte ein Magnetventil in der Flüssigkeitsleitung vorgesehen werden, das bei Niederdruck im Verdampfer und Stillstand der Anlage den Verdampfer

44 44 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 von der Wärmepumpe trennt. Im Havariefall am Kollektor erfolgt die Abschaltung der Wärmepumpe durch den Niederdruck-Pressostat- oder Niederdruck-Sensor. Wird durch die genehmigende Behörde eine zusätzliche Sicherheit gefordert, dann kann der Einbau einer Pump-down-Schaltung (Absaugen des Arbeitsmittels aus dem Verdampfer) vorgesehen werden Befüllung Die Befüllung der Anlage mit Arbeitsmittel darf nur durch qualifiziertes Fachpersonal erfolgen. 8.3 Inbetriebnahme Die Inbetriebnahme muss durch qualifiziertes Fachpersonal erfolgen. Prüfbedingungen, Arbeitsmittel und Füllmenge sind im Inbetriebnahmeprotokoll festzuhalten. Die Funktion der Sicherheitseinrichtungen (insbesondere Niederdruck- Pressostat- oder Niederdruck-Sensor) ist zu prüfen. 9 Besonderheiten weiterer Wärmequellenanlagen/Wärmesenkenanlagen 9.1 Gründungspfähle als Wärmeübertrager Energiepfähle Um Objekte bei nicht tragfähigem Untergrund errichten zu können, müssen häufig Pfahlgründungen vorgesehen werden. Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Arten von Gründungspfählen: Im Werk hergestellte Fertigteilrammpfähle, die an der Baustelle in den Untergrund eingerammt werden, und Ortbetonbohr- oder Ortbetonrammpfähle, bei denen der Beton auf der Baustelle in vorbereitete Löcher gegossen wird. Stehen sogenannte Energiepfähle ganz oder teilweise im Grundwasser, so sind sie genehmigungspflichtig (siehe VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 5). Energiepfähle eignen sich als Wärmequelle für Wärmepumpen, aber auch als Wärmequelle/-senke für kombinierte Heiz- und Kühlanlagen. Flexible Kunststoffrohre dienen in der Regel als Wärmeübertrager. Beim Einsatz von Fertig- oder Ortbetonpfählen werden diese noch vor der Herstellung des Pfahls am Bewehrungskorb befestigt und in Beton eingegossen. Bei Schleuderbeton- Hohlrammpfählen hingegen werden erst nach dem Einbau U-Sonden in den Hohlraum des Pfahls eingeführt und die Zwischenräume verpresst. Bei all diesen Energiepfahltypen wird das Rohrsystem über einen Wasserkreislauf gegebenenfalls mit Zwischenschaltung einer Wärmepumpe an das Heiz-/Kühlsystem des Gebäudes angeschlossen. Im Kühlfall ist sogar direkte Kühlung ohne Wärmepumpe möglich Auslegung Energiepfähle ähneln in Aufbau und Funktion den Erdwärmesonden. Ihre Auslegung kann deshalb grundsätzlich mit Rechenmethoden analog zu denjenigen für Erdwärmesonden erfolgen (siehe Abschnitt 7.1). Hierbei ist allerdings zu beachten: Die für Erdwärmesonden verwendeten Berechnungsverfahren gelten nur, solange das Verhältnis von Länge zu Durchmesser ausreichend groß ist (mindestens > 20) und der Pfahldurchmesser nicht 50 cm ist. Für Energiepfähle gelten grundsätzlich andere Auslegungs- und Betriebsrandbedingungen. Vor allem dürfen geothermisch aktivierte Gründungspfähle keinesfalls Temperaturen im Frostbereich erreichen oder unterschreiten, weil sonst die Stabilität der Gründung (Lastaufnahme) gefährdet ist. Daher sind für Sonden geltende Leistungs- und Auslegungswerte nicht direkt auf Energiepfähle übertragbar. Zu den wichtigsten Faktoren bei der Auslegung gehören die geologischen und hydrogeologischen Rahmenbedingungen (Bodeneigenschaften, Grundwasserhydraulik usw.) am Standort, die Geometrie der Pfähle und des Pfahlfelds, der Aufbau der Wärmeübertrager in den Pfählen, die Hydraulik des Geothermiekreises (Art Wärmeträgermedium, Massenströme, Temperaturen usw.) sowie die verbraucherseitigen Randbedingungen (Wärmepumpe, Energie- und Leistungsbedarfe und deren zeitlicher Verlauf). Zudem ist der Wärmeaustausch an der Gebäudebasis zu beachten. Die Auslegung muss so erfolgen, dass die Wärmeträgerflüssigkeit am Eintritt in die Energiepfähle 0 C nie unterschreitet. Dies ist im Betrieb durch eine Sicherheitseinrichtung zuverlässig, gegebenenfalls unter Einbeziehung einer Sicherheitsmarge von 2 K, zu gewährleisten. Die zulässige Höchsttemperatur im Kühlbetrieb hängt von den verwendeten Materialien und den maximal zulässigen Temperaturgradienten, die aus den statischen Erfordernissen resultieren, ab. Sie ist darüber hinaus mit den zuständigen Behörden abzustimmen. Maßgebend für die Anzahl, Größe und Anordnung der Pfähle sind die Anforderungen der Bauwerksgründung: In der Regel werden keine zusätzlichen Energiepfähle, die statisch nicht erforderlich sind,

45 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 45 erstellt. In vielen Fällen sind deshalb die Gründungspfähle eines Bauwerks zur Deckung des Heiz- und/oder Kühlbedarfs alleine nicht ausreichend, sodass von den Pfählen unabhängige Zusatzsysteme benötigt werden. Energiepfähle sind deshalb in ein Gesamtenergiekonzept so zu integrieren, dass sie unter den gegebenen Randbedingungen und Einschränkungen einen optimalen Beitrag zur Deckung des gesamten thermischen Energiebedarfs liefern. Weiterhin ist bei geringem oder fehlendem Grundwasserfluss ein langfristiges thermisches Gleichgewicht im Untergrund sicherzustellen, gegebenenfalls durch eine entsprechende saisonale Wärmezufuhr oder -abfuhr. In einer sehr frühen Projektphase kann die grobe Auslegung anhand von Faustregeln erfolgen, wie sie z. B. in [9] zu finden sind. Im Zuge der Konkretisierung der Anforderungen sind diese sukzessive fortzuschreiben. Die endgültige Auslegung sollte stets mit einem dynamischen Modell mittels geeigneter Software erfolgen Fertigteilrammpfähle Auf dem Markt werden Pfähle mit verschiedenen Querschnitten gehandelt (quadratisch, sechseckig, rund). Typische quadratische Pfähle haben z. B. Maße von 24 cm 24 cm, 30 cm 30 cm oder 40 cm 40 cm. Schlaff armierte Pfähle werden je nach Pfahlquerschnitt mit 2 m bis 14 m Länge hergestellt. Bei der Herstellung von Energiepfählen werden in die Armierungskörbe Kunststoffrohre mit 20 mm oder 25 mm Nenndurchmesser eingebunden. In Anlehnung an die DIN EN sollten nur Kunststoffrohre mit Sauerstoffsperrschicht eingesetzt werden. Für die Materialauswahl ist Abschnitt 12 zu beachten, der Einsatz von robusten Rohrmaterialien, z. B. PE 100 RC oder PE-Xa, ist hierbei zu bevorzugen. Für die Anschlussleitungen wird ca. 50 cm unterhalb des Pfahlkopfs eine Aussparung vorgesehen. Die Rohre können in U-Form, in Mäanderform oder Spiralform in den Armierungskorb installiert werden. Der Rohrabstand sollte hierbei zwischen 25 cm und 40 cm betragen. Eine wirtschaftliche energetische Nutzung beginnt bei Pfahllängen ab etwa 6 m. Die maximale Länge ist durch Transport und Rammgerät begrenzt. Energiepfähle als Fertigteilrammpfähle bedingen keine Mehrarbeit beim Rammen. Allerdings sollte darauf geachtet werden, die Aussparung für die Anschlussleitungen nicht zur Außenseite des Gebäudes hin anzuordnen. Vorteilhaft bei der Nutzung von Fertigteilrammpfählen ist das Einbringen der Kunststoffrohre im Werk mit der Möglichkeit der Dichtprüfung sowie der Kontrolle der Lage der Rohre und der absoluten Ummantelung der Rohre mit Beton, was eine optimale Wärmeübertragung sicherstellt. Eine Variante der Fertigteilrammpfähle sind Hohlpfähle. In den inneren Hohlraum ( Seele ) können beim fertig gerammten Pfahl Rohrbündel eingeführt werden. Je nach Querschnitt sind dies zwei bis vier Rohre. Der Hohlraum muss anschließend verfüllt werden. Der Vorteil liegt darin, dass die gesamte Pfahllänge energetisch genutzt werden kann (auch bei tiefen, aus mehreren Abschnitten bestehenden Pfählen). Nachteile sind die nicht kontrollierbare Lage der Rohre und die nachträgliche Verfüllung Ortbetonpfähle Ortbetonpfähle können entweder als Ortbetonrammpfähle oder Ortbetonbohrpfähle hergestellt werden. Bei Ortbetonrammpfählen wird ein Stahlrohr eingerammt, z. B. mit einer Vibrationsramme. In den dadurch geschaffenen Hohlraum des Stahlrohrs wird der Armierungskorb eingebracht und mit Beton aufgefüllt. Das Stahlrohr wird im Zuge der Betonierungsarbeiten wieder gezogen. Bei größeren Traglasten werden Bohrpfähle mit Durchmessern bis zu 2,5 m eingesetzt. Hier werden die Armierungskörbe in vorbereitete Bohrungen eingesetzt. Die Belegung eines Armierungskorbs mit den Rohren erfolgt möglichst im Werk. In Anlehnung an die DIN EN sollten nur Kunststoffrohre mit Sauerstoffsperrschicht eingesetzt werden. Für die Materialauswahl der Rohre ist Abschnitt 12 zu beachten. Zur Verbindung der Rohre mit dem Armierungskorb ist Bindedraht nicht geeignet. Die Belegung erfolgt analog zu den Fertigteilrammpfählen. Zusätzlich wird im Pfahlkopfbereich je ein Manometer und ein Ventil an der Vor- und Rücklaufleitung montiert. Nach Fertigstellung der Installation der Rohre werden diese druckgeprüft. Das Rohrsystem wird mit 6 bar druckgeprüft. Nach einer Prüfzeit von 30 min sollte der Druckabfall nicht mehr als 10 % betragen. Sind für größere Pfahllängen mehrere Armierungskörbe für einen Pfahl übereinander zu setzen und soll die gesamte Pfahllänge energetisch genutzt werden, so ist darauf zu achten, dass auf der Baustelle möglichst wenige Rohrverbindungen zwischen den Körben herzustellen sind. Die Druckprüfung erfolgt dann über die gesamte Pfahllänge Anschluss von Energiepfählen Nach Einbringen der Pfähle wird bei Fertigteilrammpfählen die 50 cm unter Pfahlkopf liegende Aussparung freigelegt. Bei Ortbetonpfählen müssen Manometer und Ventile entfernt und die Vor-

46 46 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 und Rücklaufleitungen freigelegt werden. Die Zuleitungen werden grundsätzlich im Bereich der Sauberkeitsschicht verlegt und mit Magerbeton abgedeckt. Auf eine ausreichende Dämmung der Rohre gegenüber den Innenräumen ist zu achten. Nach der Fertigstellung der Anschlussleitungen wird die gesamte Anlage nochmals druckgeprüft. Der weitere Anschluss, Entlüftung und Befüllung erfolgen entsprechend Abschnitt bis Abschnitt sowie Abschnitt 11. Zusätzlich ist eine Minimaltemperaturüberwachung des in die Pfähle fließenden Wärmeträgermediums mit einer Abschaltung der Anlage einzubauen (siehe Abschnitt 9.1.1). 9.2 Erdberührte Betonbauteile als Wärmeübertrager Über großflächige, vertikale und horizontale Betonbauteile kann dem Gebäude Energie aus dem Untergrund zugeführt oder in den Untergrund abgeführt werden. Für die Auslegung können hier keine allgemeinen Richtwerte gegeben werden. Eine Berechnung im Einzelfall ist erforderlich. Besondere Vorsicht ist geboten, wenn über die Fundamentplatte Energie aus dem Untergrund mittels einer Wärmepumpe entzogen wird. Die Auslegung muss so erfolgen, dass die Wärmeträgerflüssigkeit beim Eintritt in die Energiepfähle 0 C nie unterschreitet. Dies ist im Betrieb durch eine Sicherheitseinrichtung zuverlässig, gegebenenfalls unter Einbeziehung einer Sicherheitsmarge von 2 K, zu gewährleisten. Die zulässige Höchsttemperatur im Kühlbetrieb hängt von den verwendeten Materialien und den maximal zulässigen Temperaturgradienten, die aus den statischen Erfordernissen resultieren, ab. Sie ist darüber hinaus mit den zuständigen Behörden abzustimmen. Weiterhin ist grundsätzlich ein langfristiges thermisches Gleichgewicht im Untergrund sicher zu stellen, gegebenenfalls durch eine entsprechende saisonale Wärmezufuhr oder -abfuhr. Erdberührte Betonbauteile als Wärmeübertrager eignen sich besonders für die Vorwärmung der Ventilationsluft im Winter und die Vorkühlung im Sommer. Bei horizontalen Betonbauteilen werden auf das verdichtete Aushubplanum Baustahlgittermatten aufgelegt. Die Stahlmatten bieten die Möglichkeit, Kunststoffrohre ringförmig im Abstand von 20 cm bis 30 cm zu befestigen. Für vertikale Betonbauteile, z. B. Schlitzwände, Stützwände, werden Armierungskörbe vorbereitet, in denen die Rohre befestigt werden können. Zu beachten ist in jedem Fall, dass die einzelnen aufgebundenen Rohre gleich lange Kreise ergeben. Nach dem Verlegen der Rohre wird das gesamte System auf einen Verteiler zusammengeführt und einer Druckprüfung unterzogen. Bei horizontaler Verlegung kann das Rohrsystem nach erfolgreicher Prüfung mit Magerbeton abgedeckt und die Armierungsarbeiten für die darauf aufbauenden Konstruktionen können begonnen werden. Bei vertikalen Betonbauteilen sind Druckkontrolle und Protokoll entsprechend Abschnitt durchzuführen. Der weitere Anschluss, Entlüftung und Befüllung erfolgen entsprechend Abschnitt bis Abschnitt sowie Abschnitt Geothermie in Tunnelbauwerken Durch den Einbau von Wärmeübertragerrohren in den Beton der Tragwerkskonstruktion von Tunnelbauwerken können diese thermisch aktiviert werden, um Energie mit dem anstehenden Erdreich auszutauschen. Dies gilt sowohl für gering überdeckte Tunnel, z. B. für städtische Tunnel wie U-Bahn-, Straßenbahn- oder Leitungstunnel, als auch für Tunnel mit großer Überlagerung, z. B. für Straßen-/Eisenbahnstrecken im Gebirge. Die Wärmeübertragerrohre können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen genutzt werden, wobei eine ausgeglichene Energiebilanz im Untergrund anzustreben ist. Projektspezifisch ist der Energieaustausch mit dem Tunnelinneren, z. B. mit der Tunnelluft, zu berücksichtigen. Interne Energiegewinne durch den Betrieb können insbesondere bei innerstädtischen Verkehrstunneln, z. B. U-Bahn, einen wesentlichen Bestandteil der Energiebilanz darstellen Bauarten Bei der Errichtung von Tunnelbauwerken wird zwischen der offenen und der geschlossenen Bauweise unterschieden. Bei der offenen Bauweise, kommen meist die bereits in Abschnitt 9.2 genannten Systeme, wie Energiewände, -pfähle oder -schlitzwände, zur Anwendung. Bei der geschlossenen Bauweise wird zwischen der konventionellen und der maschinellen Bauweise unterschieden. Konventionell erfolgt die erste Sicherung des Tunnels meist mittels einer Spritzbetonsicherung, auf die die Rohre befestigt werden, z. B. mittels Energievlies, und anschließend die tragende Betoninnenschale errichtet wird. Maschinell erstellte Tunnel werden in der Regel mittels einer Tunnelbohrmaschine hergestellt. Hierbei erfolgt der Einbau des aus Fertigteilen bestehenden Tunneltragwerks, z. B. Tübbinge, in das die Rohrleitungen integriert sind, unmittelbar hinter der Bohrmaschine.

47 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt Besonderheiten zur Materialauswahl Unabhängig von der Bauweise ist zu beachten, dass Tunnelbauwerke besonderen Belastungen und Anforderungen ausgesetzt sind und in der Regel für eine Lebenszeit von 100 Jahren auszulegen sind. Entsprechend dauerhaft müssen die verwendeten Rohrmaterialien sein. Wie bei Energiepfählen auch, sollten, in Anlehnung an die DIN EN , nur Kunststoffrohre mit Sauerstoffsperrschicht eingesetzt werden. Eine sehr gute Anbindung des Rohrs an den Beton muss gewährleistet werden, um eine Wasserwegigkeit zu verhindern und vor Schäden zu schützen. Für die Herstellung geothermischer Tunnelanlage sollten robuste Rohrmaterialien, z. B. PE 100-RC oder PE-Xa, verwendet werden. Das Material sollte mindestens die Anforderungen der Spannungsrissbeständigkeit nach PAS 1075, FNCT-Test (Full Notch Creep Test), mit Mindeststandzeit > 8760 h bei 80 C und 4 N/mm sicherstellen. Es wird die in der Praxis bewährte Rohrdimension SDR 11 mit 25 mm 2,3 mm empfohlen. Größere Rohrdimensionen sind eher ungeeignet, da diese nicht zu wesentlichem Mehrertrag führen und größere Biegeradien aufweisen. Zudem verursachen kleinere Rohrdurchmesser keine nennenswerte Minderung der statischen Tragwirkung der Tunnelschale Planung Bei geothermisch genutzten Tunnelanlagen sind, wie auch bei Energiepfählen, die Rohrleitungen im Beton des Tragwerks eingegossen oder haben direkten Kontakt zu ihm. Um das Betontragwerk vor ungünstigen Temperaturbelastungen zu schützen, darf die minimale Eintrittstemperatur in den Tunnel +2 C nicht unterschreiten. Die Auslegung muss so erfolgen, dass die Wärmeträgerflüssigkeit am Eintritt in die Energiepfähle 0 C nie unterschreitet. Dies ist im Betrieb durch eine Sicherheitseinrichtung zuverlässig, gegebenenfalls unter Einbeziehung einer Sicherheitsmarge von 2 K, zu gewährleisten. Die zulässige Höchsttemperatur im Kühlbetrieb hängt von den verwendeten Materialien und den maximal zulässigen Temperaturgradienten, die aus den statischen Erfordernissen resultieren, ab. Sie ist darüber hinaus mit den zuständigen Behörden abzustimmen. Weiterhin ist grundsätzlich ein langfristiges thermisches Gleichgewicht im Untergrund sicher zu stellen, gegebenenfalls durch eine entsprechende saisonale Wärmezufuhr oder -abfuhr. Die Planung von geothermisch genutzten Tunnelbauwerken unterscheidet sich deutlich von derjenigen bei klassischen Energiepfählen oder -wänden, da hierbei neben dem angrenzenden Erdreich die Verhältnisse im Tunnelinneren zu berücksichtigen sind. Teilweise ist tunnelinnenseitig mit hohen Temperaturlasten infolge des Tunnelbetriebs oder der Tunnelnutzung zu rechnen. Für überschlägige Dimensionierungen gibt es Softwarelösungen am Markt, mit denen sich die geschilderten Randbedingungen für Abschätzungen gut berücksichtigen lassen. Detaillierte Betrachtungen sind jedoch nur mittels weitergehender Simulationen, z. B. Finite- Elemente- oder Finite-Differenzen-Methoden, möglich, die für den Fall einer detaillierten Entwurfsplanung oder Ausführungsplanung in jedem Fall durchgeführt werden sollten. 9.4 Kompakte Erdwärmekollektoren Bei der Verwendung von Erdwärmekollektoren gibt es neben den klassischen horizontalen Kollektoren eine Vielzahl von verschiedenen, auf Einbausituation und Platzbedarf angepassten Formen. In den letzten Jahren haben neben den horizontalen Kollektoren die vertikalen Kollektorsysteme immer mehr an Bedeutung gewonnen. Für alle, auch hier nicht beschriebene Erdwärmekollektoren, gelten grundsätzlich die Vorgaben aus Abschnitt 6. Für die kompakten Erdwärmekollektoren gelten hinsichtlich der Installation, der Anforderungen an die verwendeten Materialien, der Erdarbeiten und der Inbetriebnahme die gleichen Anforderungen wie an Flächenkollektoren, siehe Abschnitt 6.2. Zusätzlich sind, insbesondere bei der Installation der Systeme, die Vorgaben der Hersteller zu beachten Erdwärmekörbe Auslegung von Erdwärmekörben Mithilfe von Erdwärmekörben kann eine kompakte Bauweise, verbunden mit einer deutlichen Platzeinsparung gegenüber dem horizontalen Erdwärmekollektor, realisiert werden. Insbesondere dort, wo eine kompakte Bauweise notwendig ist, oder ein größerer Tiefenbereich als bei horizontalen Erdwärmekollektoren genutzt werden kann, finden sie ihren Einsatzbereich. Bei Erdwärmekörben können zwei typische Bauformen unterschieden werden. Zum einen die zylindrische Bauform, welche einer Spirale gleicht und die konische Bauform, welche einem Korb gleicht (siehe Bild 13). Grundsätzlich ist die installierte Rohrlänge für die Entzugsleistung und das damit erschlossene Untergrundvolumen für die jährlich zu entziehende Energie maßgebend (vergleiche auch Abschnitt 6.1).

48 48 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Bild 13. Geometrien typischer Bauformen von Erdwärmekörben Die Geometrie mit Durchmesser, Länge und Form hat einen großen Einfluss auf die zu erzielende Entzugsleistung. Durch das unterschiedliche Temperaturniveau und die kreisförmige Anordnung entsteht hierbei eine dreidimensionale Wärmeleitung. Diese kann unter Berücksichtigung der anderen Parameter, wie Boden und Klima, nur vereinfacht betrachtet werden. Durch die besonderen Einbaubedingungen kann jedoch festgestellt werden, dass Erdwärmekörbe schnell auf sich verändernden Bedarf und sich verändernde Lastanforderungen reagieren und gegenüber Erdwärmekollektoren schneller einfrieren. Daher können die nachfolgend in Tabelle 15 und Tabelle 16 dargestellten Angaben der Entzugsleistung und Entzugsarbeit nur als Orientierung für die planerische Bearbeitung von Erdwärmekörben verstanden werden. Zur Gewährleistung einer minimalen Temperatur der vom Erdwärmekorb zur Wärmepumpe zurückkehrenden Sole von 5 C sowie zur Vermeidung von Hebungen und Setzungen an der Erdoberfläche muss die Rohranordnung (Abstand und Lage zueinander) auf die Entzugsleistung und die Entzugsenergie abgestimmt werden. Die in Tabelle 15 und Tabelle 16 dargestellten Werte gelten hierbei für einen Erdwärmekorb, der von vier Nachbarkörben mit einem Mittelpunktabstand von 4 m umgeben ist. Die Werte werden unter Berücksichtigung der jeweiligen Klimazonen sowie Bodenart dargestellt. Wird der Abstand zwischen den Erdwärmekörben verringert, so verringert sich die maximal mögliche Entzugsleistung und Jahresarbeit pro Erdwärmekorb. In einer Installationsbetrachtung mit mehr als vier Nachbarkörben können auch die in der Tabelle angesetzten Werte verwendet werden, da der Einfluss der Nachbarkörbe dann keinen großen Einfluss mehr auf die Entzugsarbeit oder -leistung besitzt. Das Bild 14 zeigt den anzusetzenden Geometriefaktor A, B oder C in Abhängigkeit der Anzahl der Nachbarkörbe. Der Geometriefaktor ist wiederum für den Ansatz eines Korrekturfaktors von Bedeutung. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass kompakte geschlossene Anordnungen mit einem Geometriefaktor von C, entsprechend einer Bewertung mit vier Nachbarkörben in Anlehnung an die Werte aus Tabelle 15 und Tabelle 16, zu dimensionieren sind. Wenn die Anzahl der Nachbarkörbe aufgrund einer offenen Geometrie des Korbfelds mit einem oder mit zwei Nachbarkörben bewertet werden kann, dann können hier die Geometriefaktoren A und B angesetzt werden. Mittels des Korrekturfaktors aus Bild 15 die Entzugsleistung und Anpassung der Entzugsarbeit erfolgen. Wird der Erdwärmekorb von weniger als vier Nachbarkörben umgeben, können die im Bild 15 für die Geometrie 2,0 m 0,5 m und für die Geometrie der konischen Bauform dargestellten Korrekturfaktoren angesetzt werden. Für eine genauere Betrachtung der Entzugsleistungen und/oder der zu erzielenden Entzugsarbeiten wird die Durchführung einer Simulation empfohlen. Bild 14. Anzusetzender Geometriefaktor A, B oder C in Abhängigkeit von der Anzahl der Nachbarkörbe

49 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 49 Tabelle 15. Entzugsleistung eines Erdwärmekorbs mit der Geometrie 2,0 m 0,5 m bei vier Nachbarkörben mit 4 m Mittelpunktabstand (berücksichtigte Leistungsminimierung durch Nachbarkörbe: 0,62) Nr. Klimazone Entzugsleistung in W/Korb Entzugsarbeit in kwh/a Volllaststunden in h/a Sand Lehm/ Schluff Schluff Sandiger Ton 1 Bremerhaven Entzugsleistung Rostock- Warnemünde Entzugsarbeit Volllaststunden Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Hamburg- Entzugsleistung Fuhlsbüttel Entzugsarbeit Volllaststunden Potsdam Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Essen Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Bad Marienberg Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Kassel Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Braunlage Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Chemnitz Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Hof Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Fichtelberg Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Mannheim Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Passau Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Stötten Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Garmisch- Entzugsleistung Partenkirchen Entzugsarbeit Volllaststunden Anmerkung: Die in Tabelle 15 wiedergegebenen Werte sind für die Gesteinseigenschaften gemäß Tabelle 17 berechnet.

50 50 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Tabelle 16. Entzugsleistung eines Erdwärmekorbs mit der Geometrie 1,3 m 0,9/1,7 m (konische Bauform) bei vier Nachbarkörben mit 4 m Mittelpunktabstand (berücksichtigte Leistungsminimierung durch Nachbarkörbe: 0,49) Nr. Klimazone Entzugsleistung in W/Korb Entzugsarbeit in kwh/a Volllaststunden in h/a Sand Lehm Schluff Sandiger Ton 1 Bremerhaven Entzugsleistung Rostock- Warnemünde Entzugsarbeit Volllaststunden Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Hamburg- Entzugsleistung Fuhlsbüttel Entzugsarbeit Volllaststunden Potsdam Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Essen Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Bad Marienberg Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Kassel Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Braunlage Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Chemnitz Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Hof Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Fichtelberg Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Mannheim Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Passau Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Stötten Entzugsleistung Entzugsarbeit Volllaststunden Garmisch- Entzugsleistung Partenkirchen Entzugsarbeit Volllaststunden Anmerkung: Die in Tabelle 16 wiedergegebenen Werte sind für die Gesteinseigenschaften gemäß Tabelle 17 berechnet.

51 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 51 Bild 15. Korrekturfaktor eines spiralförmigen Korbs in Abhängigkeit des Korbabstands (Abstand Korbmittelpunkt zu Korbmittelpunkt) sowie der Anzahl benachbarter Körbe (Die obere Kurve stellt den Korrekturfaktor bei einem Nachbarkorb dar (Geometriefaktor A), die untere Linie den Korrekturfaktor bei zwei Nachbarkörben (Geometriefaktor B).) Tabelle 17. Gesteinseigenschaften Eigenschaften Wassergehalt in % Volumenanteil Wärmeleitfähigkeit in W/(m K) Sand Lehm Schluff Sandiger Ton < ,2 1,5 1,5 1,8 Beispiel Bei einer Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 2,5 kw (S0/W35), einer Leistungszahl von 4 und somit einer Verdampferleistung von 1875 W würde bei einem Erdwärmekorb mit der konischen Geometrie 1,3 m 1,3 m (siehe Bild 13) in der Klimazone 13 (1800 Vollbenutzungsstunden) bei einem lehmigen Untergrund eine Entzugsleistung von 450 W/Korb sowie Entzugsarbeit von 810 kwh/a angesetzt werden. Bei einem Korbfeld mit vier Körben, wie in Bild 14 oben mit einer Reihe von vier Körben und einem Korbmittelabstand von 4 m, ergibt sich somit eine Gesamtleistung aus dem Korbfeld von 1953 W (= 999 W W) und eine Gesamtentzugsarbeit von 3515,4 kwh/a (= 1798,2 kwh/a ,2 kwh/a): Ablesung aus Tabelle entspricht Geometriefaktor C. Korrektur für Geometriefaktor A aus Bild 15: 1, W = 499,5 W 1, kwh/a = 899,1 kwh/a Korrektur für Geometriefaktor B aus Bild 15: 1, W = 477,0 W 1, kwh/a = 858,6 kwh/a Zwei Körbe mit Geometriefaktor A: 2 499,5 W/Korb = 999,0 W 2 899,1 kwh/a/korb = 1798,2 kwh/a Zwei Körbe mit Geometriefaktor B: 2 477,0 W/Korb = 954,0 W 2 858,6 kwh/a/korb = 1717,2 kwh/a Grabenkollektor Bei Grabenkollektoren wird ein Graben mit einer Tiefe von bis zu 3 m oder tiefer ausgehoben. Sofern der Graben für die Verlegung der Kollektorrohre begangen werden soll, müssen zur Berücksichtigung der Arbeitssicherheit die Vorgaben aus der DIN 4124 insbesondere zur Erstellung des Böschungswinkels eingehalten werden. Nur wenn die dort vorgesehenen Sicherungsmaßnahmen getroffen wurden, darf die Grabensohle betreten werden. An die Grabenwände werden die Kollektorrohre in einem engen Abstand von 20 cm bis ca. 10 cm horizontal verlegt und mit Halteleisten fixiert. Eine weitere Möglichkeit, die Grabenwände zu belegen, ohne den Graben zu begehen, ist es, vorgefertigte Kollektormatten an der Grabenwand von oben einzubringen. Ein Beispiel für einen Grabenkollektor zeigt Bild 16. 1,2 m 0,2 m 2 m 3 m Bild 16. Beispiel für einen Grabenkollektor

52 52 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Nach der Installation der Rohrleitungen an der Grabenwand wird der Graben wieder verfüllt. Hierbei kann bei der Verwendung von PE-RC oder PE-X auf das Einsanden verzichtet und das anstehende Material wiederverwendet werden, sofern es für die Verdichtung geeignet ist und die an die zukünftige Nutzung gestellten Anforderungen des Untergrunds eingehalten werden. Aufgrund der unterschiedlichen Verlegemöglichkeiten bezüglich Rohrabstand, Böschungswinkel oder Einbautiefe wird empfohlen, die zu erzielende Entzugsarbeit oder Entzugsleistung durch einen Fachplaner bestimmen zu lassen oder spezielle Simulationssoftware zu verwenden. Die Auslegungstabelle zum Grabenkollektor berücksichtigt 0,2 m Rohrabstand (siehe Tabelle 18, aus [1]) Slinky TM -Kollektoren Slinky TM -Kollektoren werden vor allem in Nordamerika und in Großbritannien eingesetzt. Bei der Verlegung von Slinky TM -Kollektoren wird ein handelsübliches Rohrbund auf den Boden eines breiten Grabens gelegt und seitlich, senkrecht zur Wickelachse, so auseinandergezogen, dass sich die Windungen überlappen. Anschließend wird der Graben wieder verfüllt. Aufgrund der Überkreuzungen der Leitungen und der dichten Verlegung ist die Entzugsleistung und Jahresarbeit von Slinky TM -Kollektoren geringer als von horizontalen Erdwärmekollektoren. Eine detaillierte Aussage ist aufgrund der großen Variabilität innerhalb der Installation nur begrenzt möglich. Detaillierte Informationen zur Planung von Slinky TM -Kollektoren sind in [10 bis 12] zu finden. Tabelle 18. Entzugsleistung eines Grabenkollektors für verschiedene Klimazonen und Gesteine Nr. Klimazone Entzugsleistung in W/m Sand Lehm/Schluff Sandiger Ton Jahresarbeit in kwh/m 1 Bremerhaven Entzugsleistung Jahresarbeit Rostock-Warnemünde Entzugsleistung Jahresarbeit Hamburg-Fuhlsbüttel Entzugsleistung Jahresarbeit Potsdam Entzugsleistung Jahresarbeit Essen Entzugsleistung Jahresarbeit Bad Marienberg Entzugsleistung Jahresarbeit Kassel Entzugsleistung Jahresarbeit Braunlage Entzugsleistung Jahresarbeit Chemnitz Entzugsleistung Jahresarbeit Hof Entzugsleistung Jahresarbeit Fichtelberg Entzugsleistung Jahresarbeit Mannheim Entzugsleistung Jahresarbeit Passau Entzugsleistung Jahresarbeit Stötten Entzugsleistung Jahresarbeit Garmisch-Partenkirchen Entzugsleistung Jahresarbeit

53 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 53 Eine weitere Installationsmöglichkeit von Slinky TM -Kollektoren ist der senkrechte Verbau in einen schmalen, schlitzförmigen Graben. Bei dieser Verlegevariante können sich jedoch Probleme mit der Entlüftung einstellen, weshalb diese nicht zu empfehlen ist. 9.5 Speichersonde Unter Speichersonden sind Erdwärmetauscher mit einem hohen Speichervolumen zu verstehen. Speichersonden besitzen im Vergleich zu den in Abschnitt 6 beschriebenen Erdwärmesonden ein deutlich höheres spezifisches Volumen. Sie sind in der Regel als koaxiale Sondensysteme aufgebaut. Eine Gegenüberstellung der Eigenschaften einer Doppel-U-Erdwärmesonde und einer sogenannten Speichersonde zeigt Bild17. Bild 17. Gegenüberstellung der Eigenschaften von Doppel-U-Sonde und Speichersonde (Beispiel) Im Unterschied zu den Erdwärmesonden gemäß Abschnitt 7 werden mit sogenannten Speichersonden aufgrund des großen spezifischen Volumens die Leistungsanforderungen der Wärmepumpe nicht unmittelbar auf den Untergrund übertragen. Bei einer Speichersonde wird bei üblichen Wärmepumpenlaufzeiten zunächst die in der Sonde gespeicherte Wärme verbraucht. Somit erfolgt eine zeitliche Entkopplung des Wärmeentzugs aus dem Untergrund vom Wärmepumpenbetrieb. Der Untergrund wird daher nicht mit der vollen Verdampferleistung der Wärmepumpe belastet. Allerdings erfolgt die Regeneration der Speichersonde aufgrund des größeren Volumeninhalts wesentlich langsamer und auch während der Stillstandszeiten der Wärmepumpe. Somit findet auch in dieser Zeit ein nicht unerheblicher Wärmeentzug statt. Dem Untergrund wird Wärme deutlich gleichmäßiger bei geringen Leistungen entzogen. Aufgrund dieser Entkopplung können Anlagen mit geringen bis mäßigen Laufzeiten der Wärmepumpe und gleichzeitig hohen Spitzenlasten mit Speichersonden optimiert ausgelegt werden, da ein weitgehend gleichmäßiger Wärme- oder Kälteentzug bei einer gewissen Pufferung der Spitzenlastanforderungen erreicht wird. In Abhängigkeit der Gebäudeanforderungen und der geothermischen und hydrogeologischen Standorteigenschaften ist mit Speichersonden eine angepasste Auslegung auf den Wärmepumpenbetrieb möglich. Grundsätzlich ist dabei zu beachten, dass der Untergrund der limitierende Faktor des Systems ist. Die erforderlichen Sondenlängen einer Speichersonde können unter den bestehenden Rahmenbedingungen im Vergleich zu Erdwärmesonden gemäß Abschnitt 7 unter Anwendung entsprechender numerischer oder analytischer Berechnungsansätze reduziert werden. 10 Systemeinbindung Allgemeiner Hinweis Kalte Anlagenteile im Untergrund müssen zu Verund Entsorgungsleitungen einen Abstand von mindestens 1 m einhalten. Kann aus baulichen Gründen der Abstand nicht eingehalten werden, dann sind die den Abstand unterschreitenden Leitungsabschnitte zu dämmen. Das verwendete Dämmmaterial muss für den Einbau im Untergrund geeignet sein Verteiler und Sammler Geeignete Materialien für die Verteiler und Sammler sind z. B. Kunststoffe, Kupfer, Edelstähle. Die Anschlüsse der verwendeten Verteiler und Sammler müssen einzeln absperrbar sein. Auf Verteiler oder Sammler sind geeignete Einstellmöglichkeiten zum hydraulischen Abgleich vorzusehen. Für wassergefährdende Wärmeträgermedien sind Verteiler mit lösbaren Verbindungen außerhalb des Gebäudes nach AwSV in dichten Kontrollschächten einzubauen, um ein Austreten von Sole in den Untergrund zu verhindern Armaturen und Pumpen Die eingesetzten Armaturen und Pumpen müssen für den geplanten Temperaturbereich geeignet sein. Die Dichtelemente sind auf das Wärmeträgermedium abzustimmen. Es kommen meist Bauteile aus Rotguss, Messing, Edelstahl und Kunststoffen zum Einsatz. Der Einsatz verschiedener metallischer Werkstoffe innerhalb eines Systemkreises sollte vermieden werden, um Korrosionen zu verhindern Anschlussleitungen zwischen Verteiler und Wärmepumpe Alle Leitungen innerhalb des Gebäudes müssen nach DIN 4140 diffusionsdicht gedämmt werden. Die Mauerdurchführungen müssen für den geplan-

54 54 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 ten Temperaturbereich geeignet und wasserdicht sein. Anschlüsse der Leitungen an Wärmepumpen und Umwälzpumpen sind schwingungsgedämpft und spannungsfrei herzustellen Dimensionierung der Rohrleitungen und Pumpen Die Energieaufnahme der Umwälzpumpe der Wärmequellenanlage beeinflusst die Jahresarbeitszahl. Zur Optimierung der Jahresarbeitszahl sind effiziente Umwälzpumpen einzusetzen. Die Umwälzmenge sollte so gewählt werden, dass die Temperaturdifferenz am Verdampferein- und -austritt bei Soleanlagen 2 K bis 3 K und bei Wasseranlagen 3 K bis 4 K beträgt. Bei der Berechnung der Rohrnetze muss die höhere Viskosität des Wärmeträgermediums berücksichtigt werden (siehe auch VDI 4640 Blatt 1, Abschnitt 9.2). Für die Druckverlustberechnung sind geeignete Druckverlustdiagramme (Bild 9 und Anhang A) zu verwenden. Bei der Bemessung der Umwälzpumpen sind herstellerspezifische Korrekturfaktoren anzusetzen. Bei Wasser-Ethylenglykol- Gemischen sind die Zuschläge den herstellerspezifischen Tabellen zu entnehmen. 11 Wärmenutzungsanlagen Bei bivalenten einschließlich monoenergetischen Anlagen ist zu beachten: Wenn der zusätzliche Wärmeerzeuger nur als Notreserve für Ausfälle oder extreme Witterung vorgesehen ist, kann die Auslegung der Erdwärmesonden nach der Wärmepumpenverdampferleistung entsprechend den nachfolgenden Angaben erfolgen. Wird der zusätzliche Wärmeerzeuger aber eingesetzt, um einen Teil des regulären Heizbedarfs abzudecken, so bedeutet dies höhere Jahresbetriebsstunden für die verbleibende Wärmepumpenleistung. Die Erdwärmesondenanlage müsste dann entsprechend dem Wärmebedarf des Gebäudes ausgelegt werden oder, bei genauer Berechnung, zumindest die längeren Jahresvolllaststunden berücksichtigen Erdgekoppelte Wärmepumpe Allgemeiner Hinweis Das Betriebsergebnis und/oder die Effizienz von Wärmepumpen hängen stark von der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmenutzungssystem und der Wärmequelle ab. Die Vergrößerung der Temperaturdifferenz um ein Kelvin verschlechtert die Effizienz um ca. 2,5 %. Aus diesem Grund sollte ein Wärmenutzungssystem mit einer niedrigen Vorlauftemperatur, z. B. Fußbodenheizung, bevorzugt werden. Bei Nachrüstung von Gebäuden mit Wärmepumpen sollte anhand der vorhandenen Heizflächen die maximale Systemtemperatur ermittelt und gegebenenfalls einzelne Heizflächen vergrößert werden, um eine möglichst niedrige Vorlauftemperatur zu erzielen. Wegen der meist unterschiedlichen Temperaturen zwischen Heizbetrieb, Trinkwassererwärmung und gegebenenfalls anderen Aufgaben sollte die Wärmepumpe je nach Anforderung und Vorrang immer nur eine Wärmeanforderung bedienen. Die Laufzeiten zur Trinkwassererwärmung und gegebenenfalls für Schwimmbäder o. Ä. sind grundsätzlich auch bei der Auslegung der Erdwärmequellenanlage zu berücksichtigen. Die Regelung und Steuerung der Wärmenutzungsanlagen sind gemäß dem Stand der Technik und den geltenden Vorschriften auszuführen. Die hydraulische und elektrische Einbindung der Wärmepumpe sind gemäß den Herstellerangaben vorzunehmen Betriebsweisen von Wärmepumpen Die Betriebsweise von Wärmepumpen beschreibt das Zusammenspiel mit einem zweiten Wärmeerzeuger. Zu den typischen Betriebsweisen einer Wärmepumpe gehören der monovalente, der monoenergetische, der bivalent-alternative, der bivalentparallele sowie der bivalent-teilparallele Betrieb. monovalenter Betrieb Die Wärmepumpe ist alleiniger Wärmeerzeuger und muss über eine Heizleistung verfügen, die die Heizlast des Gebäudes abdecken kann. Diese Betriebsweise für Fixed-speed- oder leistungsgeregelte Wärmepumpen ist geeignet für alle Niedertemperaturheizungen bis zur maximalen Vorlauftemperatur der Wärmepumpe (siehe Bild 18 und Bild 19). monoenergetischer Betrieb Die Wärmepumpe liefert bis zu einer festzulegenden Außentemperatur (z. B. 5 C), alternativ bis zu einer festzulegenden Leistung, die gesamte Heizwärme. Bei niedrigeren Temperaturen schaltet sich der zweite mit derselben Endenergie (Strom) betriebene Wärmeerzeuger zu. Beide Wärmeerzeuger arbeiten dann parallel. Diese Betriebsweise ist geeignet für alle Niedertemperaturheizungen bis zur maximalen Vorlauftemperatur der Wärmepumpe (siehe Bild 20). bivalent-alternativer Betrieb Die Wärmepumpe liefert bis zu einer festzulegenden Außentemperatur (z. B. 0 C), alternativ

55 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Entwurf VDI 4640 Blatt 2 55 bis zu einer festzulegenden Leistung, die gesamte Heizwärme. Bei niedrigeren Temperaturen schaltet sich die Wärmepumpe ab und der zweite mit einer anderen Endenergie (z. B. Heizöl) betriebene Wärmeerzeuger übernimmt die erforderliche Heizleistung (siehe Bild 21). bivalent-paralleler Betrieb Die Wärmepumpe liefert bis zu einer festzulegenden Außentemperatur (z. B. 0 C), alternativ bis zu einer festzulegenden Leistung, die gesamte Heizwärme. Bei niedrigeren Temperaturen schaltet sich der zweite mit einer anderen Endenergie (z. B. Heizöl) betriebene Wärmeerzeuger zu. Beide Wärmeerzeuger arbeiten dann parallel. Der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizwärme ist größer als im bivalentalternativen Betrieb. Diese Betriebsweise ist geeignet für alle Niedertemperaturheizungen bis zur maximalen Vorlauftemperatur der Wärmepumpe (siehe Bild 20). bivalent-teilparalleler Betrieb Die Wärmepumpe liefert bis zu einer festzulegenden Außentemperatur (z. B. 0 C), alternativ bis zu einer festzulegenden Leistung, die gesamte Heizwärme. Bei niedrigeren Temperaturen schaltet sich der zweite mit einer anderen Endenergie (z. B. Heizöl) betriebene Wärmeerzeuger zu. Beide Wärmeerzeuger arbeiten dann parallel. Erreicht die Wärmepumpe eine ihrer Einsatzgrenzen (z. B. minimale Außentemperatur, maximale Vorlauftemperatur), liefert der zweite Wärmeerzeuger die dann erforderliche Heizleistung vollständig (siehe Bild 22). Wichtiger Hinweis Bei Wärmepumpen zur Nutzung des Untergrunds steigen bei monoenergetischer oder bivalenter Betriebsweise die jährlichen Betriebsstunden der Wärmepumpe an. Daher muss die erhöhte Belastung bei der Dimensionierung der Wärmequelle entsprechend der Tabellen in den Abschnitt 6, Abschnitt 7 und Abschnitt 9 berücksichtigt werden. Bild 18. Monovalenter Betrieb, Fixed-speed-Wärmepumpe Bild 19. Monovalenter Betrieb, leistungsgeregelte Wärmepumpe

56 56 VDI 4640 Blatt 2 Entwurf Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Düsseldorf 2015 Bild 20. Monoenergetischer Betrieb, bivalent-paralleler Betrieb Bild 21. Bivalent-alternativer Betrieb Bild 22. Bivalent-teilparalleler Betrieb 11.3 Bauaustrocknung In der Bauphase werden üblicherweise große Mengen Wasser für Mörtel, Putz, Gips usw. verwendet, das nur langsam aus dem Baukörper verdunstet. Zudem kann Regen während der Bauphase die Feuchte im Baukörper maßgeblich erhöhen. Durch die hohe Feuchtigkeit im gesamten Baukörper ist der Wärmebedarf des Hauses insbesondere in den ersten beiden Heizperioden deutlich erhöht. Die Entzugsleistung der Wärmequelle sowie die Leistung der Wärmepumpe sind für diesen erhöhten Wärmebedarf während der Bauaustrocknung nicht ausgelegt. Der zusätzliche Wärmebedarf muss über zusätzliche Wärmeerzeuger oder Entfeuchter bauseitig oder einen zusätzlichen Elektroheizstab berücksichtigt werden. Bei Nichtbeachtung kann eine dauerhafte Schädigung von Erdwärmequellen durch Vereisung auftreten Austausch von Wärmepumpen Moderne Wärmepumpen weisen gegenüber ersten serienmäßig hergestellten Wärmepumpen eine um bis zu 50 % verbesserte Leistungszahl aus. Damit verbunden ist eine höhere Energieausbeute aus dem Untergrund. Erdwärmekollektoren und Erdwärmesonden sind auf ihre Entzugsleistung hin zu prüfen und gegebenenfalls zu vergrößern. Bei Brunnenanlagen sind der erforderliche Fördervolumenstrom und die Aufnahmeleistung des