Geothermie TECHNISCHE INFORMATION

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1 Geothermie TECHNISCHE INFORMATION

2 2 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

3 Inhalt Einleitung 4 Geothermie in Kürze 5 Heiße Sache Energiequelle Planet Erde 6 Grundlagen Allgemein 8 Wärmepumpenanlage 9 Geothermische Nutzungssysteme Systemübersicht 20 Betriebsarten 21 Horizontalkollektoren System/Einsatzbereich 24 Uponor Lieferprogramm Horizontalkollektoren 32 Erdwärmekörbe System/Einsatzbereich 36 Uponor Lieferprogramm Erdwärmekörbe 45 Energiepfähle System/Einsatzbereich 49 Uponor Lieferprogramm Energiepfähle 64 Erdsonden System/Einsatzbereich 66 Uponor Lieferprogramm Anbindesysteme 73 Uponor Qualitätsmaterialien PE-Xa 84 Quick & Easy 86 Projektplanung Projektablaufplanung 87 Detailplanung 89 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012 3

4 Einleitung Geothermie Unabhängigkeit von der Energiesituation In Europa gibt es das ambitionierte Ziel den Energieverbrauch zu reduzieren, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen wie Öl und Gas zu reduzieren. Erneuerbare Energiequellen wie Sonnenenergie und Erdwärme bekommen mehr und mehr Bedeutung in Bezug auf den zukünftigen Energiebedarf von Gebäuden. Die EU Zielsetzung sieht vor, den Energieverbrauch und Treibhausgasausstoß bis 2020 um 20 % zu verringern und den Einsatz von erneuerbaren Energien im Energiemix auf 20 % (2007: 8,5 %) zu steigern. Die Gesetzgebung hat deshalb verschiedene Initiativen in ganz Europa gestartet, um den Einsatz von erneuerbaren Energiequellen zu fördern. Geothermie verfügt über eine Vielzahl an Vorteilen Erneuerbar: Erdwärme ist unendlich verfügbar, steht 24 h am Tag zum Heizen und Kühlen zur Verfügung und ist mit geringen Flächenverbrauch nutzbar. Umweltschonend: Jede geothermische Nutzungsform reduziert den Ausstoß von Treibhausgas. Sicher und beherrschbar: Geothermie ist technisch ausgereift und wird seit mehr als 50 Jahren für Heizen und Kühlen angewendet. Hohe Performance: eine Antwort auf alle Energiebedürfnisse wie Heizen, Kühlen, Warmwasser und Energiespeicher. Vielseitig: anwendbar in Kombination mit den verschiedenen Energiequellen. Ökonomisch nachhaltig: regional nutzbar, unabhängig von externen Lieferanten sowie von Wechselkursschwankungen. Sicherung der Wettbwerbsfähigkeit: Geothermie erhöht die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie und hat somit einen positiven Effekt auf die regionale Entwicklung und Beschäftigung. Geothermie vielfältige Nutzung Geothermie kann nicht nur als Wärmequelle für Flächenheizung und Warmwasserbereitung, sondern auch als Kältequelle für Flächenkühlung mit sehr geringen Betriebskosten genutzt werden. Geothermie ist anwendbar für allen Arten von Gebäuden, vom Einfamilienhaus bis zu großen Büro- oder Industriegebäuden. Ist ein Geothermiesystem in Betrieb, benötigt es praktisch keine Betriebskosten und hat eine lange Betriebszeit. Die Investitionskosten für ein Geothermiesystem sind zwar etwas höher als bei konventionellen Kesseln und Kühlaggregaten, aber durch die geringen Betriebskosten sind die Amortisationszeiten kürzer. Geothermie als Energiequelle in Kombination mit Energienutzungssystemen ist die all-in-one Lösung in Bezug auf die Kombination aus Heizen und Kühlen. Derartige Systeme sind effizienter und einfacher zu installieren als zwei separate Systeme für Heizen und Kühlen. Des weiteren profitieren die Energienutzungssysteme von dem nutzbaren Temperaturbereich (Exergie- Prinzip) im Form von Reduktion der Betriebstemperaturen beim Heizen und hohen Betriebstemperaturen beim Kühlen. Dadurch ist die Wärmepumpe in der Lage, mit einer höheren Effizienz (Jahresarbeitszahl) zu arbeiten, was den Stromverbrauch und somit die Betriebskosten entsprechend reduziert. 4 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

5 Geothermie in Kürze Anwendungsbereiche/ Nutzungsmöglichkeiten Heizen Warmwasser Kühlen Energiespeicherung Umweltaspekt Reduziert den Einsatz fossiler Brennstoffe Vermindert ggf. den CO 2 -Ausstoß In der Regel geringer Flächenverbrauch Erneuerbare Energiequelle Bei sachgemäßer Errichtung und Anwendung keine Beeinträchtigung von Grundwasser und Boden Einsatzbereiche Einfamilienhaus bis Wohnsiedlung Private und öffentliche Gebäude Betriebsstätten Industriegebäude Bürogebäude Technische Aspekte Erdwärme ist ganzjährig nahezu unbegrenzt verfügbar Kein Schornstein notwendig Vollautomatischer, ungefährlicher Betrieb, geringe Wartungsarbeiten erforderlich Dezentrale und zentrale Anlagennutzung Mit anderen Energiequellen kombinierbar Wirtschaftliche Aspekte Geringe Verbrauchskosten (Strombedarf für die Wärmepumpe, aber keine Brennstoffkosten) Geringe Betriebskosten (keine Emissionsmessungen, kein Schornsteinfeger) Kein Brennstoffvorrat notwendig Vergleichsweise höhere Investitionskosten Amortisation abhängig von der allgemeinen Energiekostenentwicklung Wirtschaftlichkeit abhängig von fachgerechter Auslegung der gesamten Anlage und von Stromtarifen ( Wärmepumpenstrom ) der Energieversorger Geothermie (griechisch: geo = Erde; therme = Wärme) oder Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Geothermie bezeichnet sowohl die ingenieurtechnische Beschäftigung mit der Erdwärme und ihrer Nutzung als auch die wissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation der Erde. Erdwärme sichtbar Heiße Quelle auf Island UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012 5

6 Heiße Sache Energiequelle Planet Erde Die Erdkruste ist im Verhältnis zum Erddurchmesser von rund km nur eine dünne Schicht. Unter den Ozeanen ist die Erdkruste etwa fünf bis zehn Kilometer dick, unter den Kontinenten etwa 15 bis maximal 50 Kilometer. Bereits in der Erdkruste herrschen hohe Temperaturen, an der Krustenunterseite bis C. Kruste (ca. 30 km) ca. 3 C / 100 m Mantel > C Kern ca C Unter der Erdkruste beginnt der Erdmantel, den man nach gesteinsphysikalischen Eigenschaften in den oberen und unteren Mantel und in eine Übergangszone unterteilt. Der obere Mantel reicht bis etwa 400 km Tiefe mit Temperaturen bis zu C, die Übergangszone bis etwa 900 km und der untere Mantel bis km Tiefe mit Temperaturen bis zu C. Unterhalb von km beginnt der Erdkern mit einem äußeren flüssigen und einem inneren festen Kern. Im äußeren Kern herrschen Temperaturen von etwa C, im inneren Kern vermutlich weit über C. Schalenaufbau der Erde Die derzeit wirtschaftliche Nutzung der Geothermie beschränkt sich auf den oberen Teil der Erdkruste. Dabei wird zwischen oberflächennaher und tiefer Geothermie unterschieden. 6 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

7 Tiefe Geothermie In der tiefen Geothermie unterscheidet man zwei Anwendungen bzw. Systeme: hydrothermale und petrothermale Systeme. Hydrothermale Geothermie Bei hydrothermaler Geothermie werden in großen Tiefen natürlich vorkommende Thermalwasservorkommen (Heißwasser Aquifere) angezapft. Diese wasserführenden Schichten können sowohl zur direkten (Wärme) als auch indirekten (Strom) Energiegewinnung genutzt werden. Petrothermaler Geothermie Bei petrothermaler Geothermie erfolgt die Energiegewinnung aus heißem dichtem Gestein. Dabei kann die geothermische Energie mit dem sogenannten Hot-Dry-Rock- Verfahren nutzbar gemacht werden. Das in einer Tiefe von einigen tausend Metern durch Bohrung erschlossene Gestein wird durch unter hohem Druck einströmendes Wasser aufgebrochen, so dass eine Wasserwegsamkeit entsteht. Der so erzeugte unterirdische Wärmetauscher leitet nun die Energie in Form von Wasserdampf durch eine weitere Bohrung nach oben, wo dieser entweder Turbinen zur Strom erzeugung antreibt oder der direkten Wärmegewinnung dient. Oberflächennahe Geothermie Von oberflächennaher Geothermie spricht man bei Anwendungstiefen bis zu 400 m. Im Mittel nimmt hier die Temperatur um 3 C pro 100 m Tiefe zu. Die Oberflächentemperatur der Erde liegt weltweit im Mittel bei etwa 13 C und wird durch ein Gleichgewicht zwischen einstrahlender Sonnenenergie, Wärmeausstrahlung ins Weltall, geothermischem Wärmefluss und Varianten bzw. Interferenzen dieser Faktoren bestimmt. Die oberflächennahe Geothermie liefert im Gegensatz zur tiefen Geothermie die Energie nicht direkt in Form von nutzbarer Wärme. Zum Heizen und zur Warmwasserbereitung muss das Temperaturniveau über eine Wärmepumpe auf die erforderlichen Werte angehoben werden. Neben der Tiefe und Art des Gesteins spielt auch das Grundwasser für die Energiegewinnung eine wichtige Rolle. Das hat in den mitteleuropäischen Breiten eine über alle Jahreszeiten weitgehend gleich bleibende Temperatur. Durch die permanente Fließbewegung wird ständig neue Wärmeenergie zum Heizen nachgeliefert bzw. zum Kühlen abgeführt. Selbst bei jahreszeitlich bedingt stark schwankenden Außentemperaturen bleibt die Temperatur in wenigen Metern Bodentiefe mit im Mittel 10 C relativ konstant. Somit ist die oberflächennahe Geothermie eine immer funktionierende bzw. konstante Energiequelle, die eine ganzjährige Nutzung sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen von Gebäuden ermöglicht. UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012 7

8 Grundlagen Allgemein Bei der Planung zur Nutzung einer geothermischen Energiequelle sind die Standortgegebenheiten von entscheidender Bedeutung. Die Ermittlung der Bodeneigenschaften in Bezug auf den Wassergehalt, die thermischen Erdreicheigenschaften, d.h. Wärmeleitfähigkeit, Dichte, spezifische und latente Wärmekapazität sowie die Bewertung der unterschiedlichen Wärme- und Stofftransportvorgänge sind Grundvoraussetzung der Leistungsbestimmung und -definition einer Geothermieanwendung. Die Auslegung der geothermischen Energie- quelle hat einen bedeutenden Einfluss auf die Energieeffizienz einer Wärmepumpenanlage. Wärmepumpen mit hohen Leistungszahlen haben in Kombination mit einer schlecht ausgelegten Wärmequelle einen unnötigen hohen Stromverbrauch. Region mit hohem geothermischen Potential 8 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

9 Wärmepumpenanlage Unter einer Wärmepumpenanlage versteht man ein Energiesystem bestehend aus einer Wärmequelle, einer Wärmepumpe und einer Wärmenutzungsanlage. Wärmequellen: Luft Wärmepumpe Wärmenutzungsanlage Wärmequelle Wasser Als Wärmequellen für Wärmepumpenanlagen können grundsätzlich Luft, Wasser und Erdreich zum Tragen kommen. Von geothermischer Nutzung spricht man, wenn als Wärmequelle das Erdreich Verwendung findet. Für das Maß der geothermischen Nutzung sind vor allem die Geologie, Hydrologie und die klimatischen Verhältnisse und somit die Regenerationsfähigkeit des Erdreichs von entscheidender Bedeutung. Geologie, Hydrologie und Klima Böden haben üblicherweise einen Porenanteil zwischen 35 und 45 %. Sind diese mit Wasser anstatt mit Luft gefüllt, erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit, die Dichte und die spezifische und latente Wärmekapazität des Bodens. Dies wirkt sich positiv auf die maximal mögliche Entzugsleistung eines Erdkollektors aus. Der Wassergehalt eines Bodens hängt von den klimatischen Bedingungen, der Bepflanzung, dem Grundwasserspiegel und der hydraulischen Eigenschaft (Kapillarwirkung) des Erdreichs ab. Für den Wassergehalt des relevanten Bodens sind hauptsächlich die Effekte des kapillaren Wasseraufstiegs vom Grundwasserspiegel und die Durchfeuchtung durch versickerndes Niederschlagswasser maßgebend. Das Matrixpotential Ψ M (Saugdruck) eines Bodens beschreibt, wie stark vorhandenes Wasser in der Bodenmatrix gebunden ist. Je geringer der Wassergehalt, desto stärker ist das verbleibende Wasser Volumetrischer Wassergehalt 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 Erdreich Wärmepumpenanlage an die Bodenmatrix gebunden. Dem Matrixpotential wirkt hauptsächlich das Gravitationspotential Ψ G (Staudruck) bzw. geodätische Höhe über dem Grundwasserspiegel sowie zu vernachlässigend das osmotische Potential, das Auflastpotential und das Druckpotential entgegen. Im stationären Zustand gleichen sich beide Potentiale aus. Ψ Ges = Ψ M + Ψ G = 0 [Vol. %] Stationärer Wassergehalt in Abhängigkeit von der Höhe über den Grundwasserspiegel 0,05 0 0, Matrixpotential bzw. Höhe über Grundwasser [m] Sand Lehm Schluff Schluffig toniger Lehm Ton UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012 9

10 Neben der Höhe über dem Grundwasser hat auch die durchschnittliche, über einem längeren Zeitraum im Boden versickernde Niederschlagswassermenge einen bedeuteten Einfluss auf den Wassergehalt des relevanten Bodens. Kurzfristige Schauer, die einen Oberflächenabfluss verursachen, haben dabei kaum Einfluss. Je höher der Wassergehalt des Bodens, desto besser lässt der Boden Wasser versickern (hydraulische Leitfähigkeit). Bei relativ gleichmäßigem Niederschlag über einen längeren Zeitraum steigt der Wassergehalt im Boden soweit an, bis das Niederschlagswasser aufgrund von Gravitation versickern kann. Die pro Monat auf die Fläche bezogene versickernde Wassermenge ergibt sich aus der Differenz zwischen der Niederschlagsmenge und Evapotranspiration (Verdunstung plus Transpiration der Pflanzen). Die Eigenschaften des Bodens während der Heizperiode werden hauptsächlich durch die Monate Oktober und November beeinflusst. In diesen Monaten nehmen das Wachstum der Pflanzen und die durchschnittliche Außentemperatur ab, somit sinkt die Verdunstungsrate. Tatsächlich ist der Verlauf der Niederschlagsmenge nicht sehr stationär. Dies wird durch die Kapazität des Bodens und der vom Wassergehalt abhängigen hydraulischen Leitfähigkeit in den oberen Erdschichten so stark abgedämpft, dass sich in dem relevanten Boden nur langfristige Änderungen der Niederschlagsmengen auf den Wassergehalt auswirken. Damit stellt sich der Wassergehalt in dem relevanten Information: Die spezifische Wärmeleitfähigkeit λ [W/(K m)] beschreibt das Vermögen eines Gesteins, thermische Energie mittels Wärmeleitung zu transportieren (konduktiver Wärmetransport). Sie ist eine temperaturabhängige Materialkonstante. Die spezifische Wärmekapazität c p [MJ/(m³ K)] gibt jene Energiemenge an, die man benötigt, um 1 m³ des Gesteins um 1 K zu erwärmen. Je größer sie ist, desto mehr Wärmeenergie kann das Gestein aufnehmen (speichern) und letztendlich auch wieder abgeben. Boden aus über mehrere Wochen gemittelten Niederschlagmengen ein. Die in der Natur vorkommenden Böden sind Gemische aus Sand, Schluff und Ton. Sie bestehen aus den drei Phasen Feststoffen, Wasser und Gasen auf deren Basis sich die Dichte, Wärmeleitfähigkeit sowie spezifische und latente Wärmekapazität begründet. Die Ermittlung dieser Eigenschaftscharakteristiken stellt sich aufgrund der vielen Varianzen als schwierig da und lässt sich am Bestem aus entsprechenden Referenzkatalogen für verschiedene klimatische Regionen entnehmen. 10 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

11 Beispiele für Wärmeleitfähigkeit und volumenbezogene spezifische Wärmekapazität des Untergrundes bei 20 C Gesteinstyp Wärmeleitfähigkeit in W/(m K) Volumenbez. spez. Empfohlener Wärmekapazität Rechenwert in MJ/(m³ K) Dichte in 10² kg/m³ Lockergesteine Sedimentäre Festgesteine Magmatische Festgesteine Methamorphe Festgesteine Andere Stoffe Ton/Schluff, trocken 0,4 1,0 0,5 1,5 1,6 1,8 2,0 Ton/Schluff, wassergesättigt 1,1 3,1 1,8 2,0 2,8 2,0 2,2 Sand, trocken 0,3 0,9 0,4 1,3 1,6 1,8 2,2 Sand, feucht 1,0 1,9 1,4 1,6 2,2 1,9 2,2 Sand, wassergesättigt 2,0 3,0 2,4 2,2 2,8 1,8 2,3 Kies/Steine, trocken 0,4 0,9 0,4 1,3 1,6 1,8 2,2 Kies/Steine, wassergesättigt 1,6 2,5 1,8 2,2 2,6 1,9 2,3 Geschiebemergel/-lehm 1,1 2,9 2,4 1,5 2,5 1,8 2,3 Torf, Weichbraunkohle 0,2 0,7 0,4 0,5 3,8 0,5 1,1 Ton-/Schluffstein 1,1 3,4 2,2 2,1 2,4 2,4 2,6 Sandstein 1,9 4,6 2,8 1,8 2,6 2,2 2,7 Konglomerat/Brekzie 1,3 5,1 2,3 1,8 2,6 2,2 2,7 Mergelstein 1,8 2,9 2,3 2,2 2,3 2,3 2,6 Kalkstein 2,0 3,9 2,7 2,1 2,4 2,4 2,7 Dolomitstein 3,0 5,0 3,5 2,1 2,4 2,4 2,7 Sulfatgestein (Anhydrit) 1,5 7,7 4,1 2,0 2,8 3,0 Sulfatgestein (Gips) 1,3 2,8 1,6 2,0 2,2 2,4 Chloridgestein (Stein-/Kalisalz) 3,6 6,1 5,4 1,2 2,1 2,2 Steinkohle 0,3 0,6 0,4 1,3 1,8 1,3 1,6 Tuff 1,1 1,1 Vulkanit, sauer z.b. Rhyolit, Trachyt 3,1 3,4 3,3 2,1 2,6 bis intermediär z.b. Latit, Dacit 2,0 2,9 2,6 2,9 2,9 3,0 Vulkanit, basisch z.b. Andesit, Basalt 1,3 2,3 1,7 2,3 2,6 2,6 3,2 bis ultrabasisch Plutonit, sauer Granit 2,1 4,1 3,2 2,1 3,0 2,4 3,0 bis intermediär Syenit 1,7 3,5 2,6 2,4 2,5 3,0 Plutonit, basisch Diorit 2,0 2,9 2,5 2,9 2,9 3,0 bis ultrabasisch Gabbro 1,7 2,9 2,0 2,6 2,8 3,1 gering metamorph Tonschiefer 1,5 2,6 2,1 2,2 2,5 2,4 2,7 Kieselschiefer 4,5 5,0 4,5 2,2 2,5 2,7 mittel bis hoch Marmor 2,1 3,1 2,5 2,0 2,5 2,8 metamorph Quarzit 5,0 6,0 5,5 2,1 2,5 2,7 Glimmerschiefer 1,5 3,1 2,2 2,2 2,4 2,4 2,7 Gneis 1,9 4,0 2,9 1,8 2,4 2,4 2,7 Amphibolit 2,1 3,6 2,9 2,0 2,3 2,6 2,9 Bentonit 0,5 0,8 0,6 ~3,9 Beton 0,9 2,0 1,6 ~1,8 ~2,0 Eis (-10 C) 2,32 1,89 0,919 Kunststoff (HD-PE) 0,42 1,8 0,96 Luft (0 C bis 20 C) 0,02 0,0012 0,0012 Stahl 60 3,12 7,8 Wasser (+10 C) 0,56 4,15 0,999 Quelle VDI 4640 Anmerkungen: Die Dichte variiert bei Lockergesteinen besonders stark mit Lagerungsdichte und Wassergehalt. Bei Sandstein, Konglomerat und Brekzie liegt eine besonders große Bandbreite der Wärmeleitfähigkeit vor; neben Kornmaterial und -verteilung und der Wassersättigung spielt hier auch die Art des Bindemittels bzw. der Matrix eine Rolle. UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/

12 Grundwasser mit seiner hohen Wärmekapazität von J/kgK bei 10 C spielt eine wichtige Rolle für die Entzugsleistung der geothermischen Anlage. Bei der hydraulischen Leitfähigkeit wird der Untergrund Im Mittel nimmt die Temperatur um 3 C pro 100 m Tiefe zu. Dabei stellt sich der Jahresverlauf (mitteleuropäische Breiten) der Temperaaus Locker- oder Festgestein nach Poren- und Trennfugendurchlässigkeit unterschieden. Bei Lockergestein (Porengrundwasserleiter) ist vor allem die Korngröße und Kornverteilung und bei Festgestein die Häufigkeit und Öffnungsweite der Trennfugen entscheidend für die hydraulische Leitfähigkeit. Die unten aufgeführte Tabelle enthält Anhaltswerte für die Durchlässigkeit von Lockergestein. Anhaltswerte für die Durchlässigkeit von Lockergestein Lockergesteine Durchlässigkeitsbeiwert k f Bewertung der Durchlässigkeit m/s Reiner Kies über 10-2 sehr stark durchlässig Sandiger Kies, Mittel-/ über 10-4 bis 10-2 stark durchlässig Grobsand Feinsand, schluffiger Sand über 10-6 bis 10-4 durchlässig Schluff, toniger Schluff 10-8 bis 10-6 schwach durchlässig Ton, schluffiger Ton unter 10-8 sehr schwach durchlässig Quelle VDI 4640 Tiefe im Boden [m] turen in den oberen 15 m entsprechend untenstehenden Abbildung dar. Im Winter liegen die Außentemperaturen in der Nähe des Temperatur (Erdoberfläche) [ C] Gefrierpunktes, in wenigen Metern Bodentiefe erreicht die Temperatur bereits einen Wert von im Mittel 10 C. Im Sommer liegt die Außentemperatur im Mittel bei annähernd 20 C, das Erdreich in wenigen Metern Tiefe hat dagegen annähernd konstante Temperaturen von 10 C. Dies gilt in den überwiegenden Fällen für die Übergangszeiten Frühjahr und Herbst. Aus diesem Jahresverlauf der oberflächennahen Bodentemperaturen wird ersichtlich, dass Erdwärme eine immer funktionierende bzw. konstante Energiequelle darstellt Temperatur (Tiefe) [ C] Im Mittel steigt die Bodentemperatur ca. alle 33 m um 1 C an. 1. Februar 1. Mai 1. November 1. August 12 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

13 Wärmepumpen Wärmepumpen sind Kaltdampfmaschinen, mit deren Hilfe Niedertemperaturen-Umweltwärme bzw. -kälte zur Gebäudeheizung bzw. -kühlung genutzten werden kann. Die Umweltwärme bzw. -kälte wird dabei der Umgebungsluft, dem Grundwasser oder dem Erdreich entzogen. Unter Einsatz elektrischer Energie wird die Temperatur auf das gewünschte Niveau gebracht. Verdichter Funktionsprinzip Wärmepumpe Verdampfer Verflüssiger Heiznetz Expansionsventil Der innerhalb der Wärmepumpe ablaufende Kreisprozess wird aus vier Komponenten gebildet: dem Verdampfer, dem Verdichter, dem Verflüssiger und dem Entspannungsventil. Träger für die Wärmeenergie ist ein Kältemittel mit einem extrem niedrigen Siedepunkt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel die Wärme aus der Umwelt auf und wird dadurch gasförmig. Im Verdichter wird das gasförmige Kältemittel durch Kompression auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Hierfür benötigt das Gerät die externe elektrische Energie. Im Verflüssiger wird die Wärmeenergie an den Heizungskreislauf abgegeben. Im Expansionsventil wird das Kältemittel entspannt, um danach den Kreislauf von Neuem zu durchlaufen. Wärmepumpen werden in folgende Typen eingeteilt: Luft/Wasser-Wärmepumpen Wasser/Wasser-Wärmepumpen Sole/Wasser-Wärmepumpen Die Bezeichnung des Wärmepumpen-Typs richtet sich danach, welches Medium die Wärme aufnimmt (Wärmeträgermedium) und welches Medium die Wärme im Haus verteilt. Nimmt Sole (Wasser/Glykol- Gemisch) über einen Erdkollektor die Wärme auf und gibt Wasser die Wärme z.b. über eine Fußbodenheizung wieder ab, dann spricht man von einer Sole/Wasser-Wärmepumpe. UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/

14 Bei den Betriebsarten unterscheidet man zwischen: monovalent (eine Energiequelle) bivalent (zwei Energiequellen) monoenergetisch (eine Energieressource). Luft/Wasser-Wärmepumpen unterliegen direkt den Schwankungen der Außentemperaturen. Dadurch haben sie gerade in Zeiten des größten Wärmebedarfs, im Winter die Außenluft hat den niedrigsten Energiegehalt die niedrigste Energieeffizienz. Um diese Extremfälle abzudecken, können bei der Luft/ Wasser-Wärmepumpe die Spitzenlasten entweder monoenergetisch über eine elektrische Zusatzheizung (Heizstab) oder bivalent über eine zweite Energiequelle (z.b. Brennstoffkessel) abgefangen werden. Wärmepumpe in monovalenter Betriebsart Wärmepumpe in monoenergetischer Betriebsart Wärmepumpe in bivalentparalleler Betriebsart -15 Dimensionierungspunkt Temperatur [ C] % Temperatur [ C] Dimensionierungspunkt > 95 % Temperatur [ C] Dimensionierungspunkt > 60 % 20 Tage 20 Tage 20 Tage 14 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

15 Wasserdurchströmte Flächenheiz- und Kühlsysteme Übersicht Wärmepumpenanlagen Wärmenutzungsanlage Wärmepumpe Sole/Wasser Wärmepumpe Wasser/Wasser Wärmepumpe Luft/Wasser Wärmepumpe Wärmequellen Erdreich Wasser Luft Wärmeaustausch Horizontalkollektor Vertikalkollektor Grundwasser Oberirdische Gewässer Außenluft Für geothermische Anwendungen kommen Sole/Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz. Die Wärmetauscher werden dabei mit einem Wasser/Glykol-Gemisch bzw. Sole durchströmt. Zur Beurteilung der Güte einer Wärmepumpenanlage wird die sogenannte Jahresarbeitszahl β verwendet. Sie stellt das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeleistung zur aufgenommen elektrischen Leistung (Antriebsleistung) im Verlauf eines Jahres dar. Jahresarbeitszahl β = Je höher die Jahresarbeitszahl, desto höher in der Regel auch der Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Die übliche Größenordnung liegt bei 3 bis 4,5. W (nutzbare Wärmeenergie) W (zugeführte elektrische Leistung) Sicherstellung der Betriebssicherheit Um bewerten zu können, welche Energiemenge bzw. welche Leistung dem Erdreich durch einem Wärmetauscher entzogen bzw. zugeführt werden kann, müssen Kriterien festgelegt werden, an denen man die Leistungsfähigkeit messen kann bzw. bei denen Grenzwerte nicht überschritten werden dürfen. Folgende Kriterien sind einzuhalten, damit die Wärmepumpen - an lage keinen Schaden nimmt: Unter Betriebssicherheit wird verstanden, dass einer Beschädigung der Anlage vorgebeugt und die Leistungsgrenzen der Wärmepumpe eingehalten werden, damit über das gesamte Jahr ein sicherer Betrieb gewährleistet werden kann. Bezüglich der Wärmequelle bedeutet dies, dass die Wärmepumpensole an keiner Stelle die Erstarrungstemperatur und die vom Wärmepumpenhersteller angegebene minimale Soletemperatur unterschreitet. Im Verdampfer wird die Sole abgekühlt, bevor sie sich in der Wärmequelle wieder erwärmt. Dort herrschen somit die niedrigsten Temperaturen im Solekreis. Die üblichen wasserhaltigen Wärmeträger dehnen sich beim Erstarren aus. Dadurch besteht die Gefahr, dass Rohrleitungen oder der Verdampfer bersten, falls die Sole erstarrt. Die am weitesten verbreiteten Wärmeträger für Wärmequellen sind Gemische aus Wasser und Glykol (meistens Monoethylenglykol). Beim gängigen Mischverhältnis von 3:1 ist eine Frostsicherheit von ca. -14 C gewährleistet. Es muss also sichergestellt werden, dass diese Temperatur an keiner Stelle unterschritten wird. Aus diesem Grund haben die meisten Hersteller Sicherheitsorgane eingebaut, wodurch die Wärmepumpe vorzeitig abgeschaltet wird. Diese Funktion kann z.b. ein Niederdruckpressostat in UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/

16 der Saugleitung zum Verdichter übernehmen. Dieses Pressostat löst beim Unterschreiten des Drucks, dem eine Verdampfungstemperatur von ca. -15 C bzw. mit Überhitzung einer Sauggastemperatur von ca. -10 C entspricht, das Abschalten der Wärmepumpe aus. Abhängig von den Wärmeübertragungseigenschaften des Verdampfers und von der Temperaturspreizung im Solekreislauf entspricht -10 C Sauggastemperatur ungefähr einer Solerücklauftemperatur von -5 C. Aus den genannten Sicherheitsgründen und teilweise bedingt durch das maximal mögliche Druckverhältnis des Verdichters wird von den meisten Wärmepumpenherstellern diese Temperatur als Begrenzung angegeben. Die Wärmequellenanlage ist daher so auszulegen, dass die Solerücklauftemperatur in die Wärmepumpe auch bei Lastspitzen im Winter -5 C nicht unterschreitet. Die nachfolgende Tabelle stellt eine exemplarische Beispielrechnung von Betriebskosten einer Wärmepumpe im Vergleich zu einem traditionellen Heizsystem dar. Beispielhafter Vergleich von Betriebskosten in Deutschland Gas Wärmepumpe Benötigte Heizenergie [kwh] Wirkungsgrad/ Arbeitszahl 85% 4 Bezogene Energiemenge [kwh] Arbeitspreis [ct/kwh] 6,68 13,61 Grundpreis [ /Jahr] 142,8 41,40 Brennstoffkosten [ /Jahr] 1.571,74 721,90 Kosten Abgasmessung [ /Jahr] 45,11 Gesamtkosten [ /Jahr] 1.759,65 721,90 Differenz [ /Jahr] 1, Prozentuale Kosten 100% 41% 16 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

17 Wärmenutzungsanlagen Niedertemperatursysteme eignen sich besonders gut, um Wärmepumpenanlagen zu betreiben. Durch die großen Flächen liegen die erforderlichen Betriebstemperaturen nur geringfügig oberhalb (Heizen) bzw. unterhalb (Kühlen) der Raumtemperatur, was die Energieeffizienz von geothermisch genutzten Wärmepumpen erheblich verbessert. Zu den Niedertemperatursystemen zählen wasserdurchströmte Flächenheiz- und -kühlsysteme: Fußbodenheiz- und -kühlsysteme Wandheiz- und -kühlsysteme Deckenheiz- und -kühlsysteme Bei Flächensystemen wird die Wärme bzw. Kälte fast ausschließlich durch Strahlung und nicht durch Konvektion übertragen. Somit werden störende Zugerscheinung und Staubaufwirbelungen vermieden. Da Flächenheiz- und -kühlsysteme unsichtbar sind, beanspruchen sie keinen wertvollen Nutzraum und bieten nahezu uneingeschränkte Gestaltungs- und Einrichtungsfreiheit sowie ein optimales Verhältnis von umbautem Raum zur nutzbaren Fläche. Fußbodenheizsysteme und -kühlsysteme Nicht nur für den Neubau, auch für die Nachrüstung auf bestehenden Fußböden gibt es maßgeschneiderte Systemlösungen. Zur Komfortsteigerung können diese Systeme auch zur Raumkühlung verwendet werden, bei vorausschauender Planung ist auch die entsprechende Nachrüstung der Kühlfunktion zu einem späteren Zeitpunkt möglich. Bei Fußbodenheizung und -kühlung kommen unterschiedlichen Installationsformen zum Einsatz. Die gängigsten Formen für Neubau und Renovation sind: Niedrigaufbausysteme Nassbausysteme Trockenbausysteme Wandheiz- und -kühlsysteme Alternativ zur Fußbodenheizung bzw. -kühlung oder zusätzlich zur Vergrößerung der Heiz- bzw. Kühlflächen können Wandsysteme eingesetzt werden. Man unterscheidet zwischen: Trockenbausystemen Nassputzsystemen Trockenbausysteme kommen in der Renovierung zum Einsatz, wenn der Fußbodenaufbau nicht verändert werden soll oder darf. Neben vorhandenen Wänden bieten sich oft zusätzliche Leichtbauwände (Ständerwände) als Heiz- bzw. Kühlflächen an. Der Einbau erfolgt in der Wandkonstruktion je nach System unterhalb der Beplankung oder direkt in der Putzschicht. Nassputzsysteme bieten sich immer dann an, wenn nur eine Teilrenovierung vorgenommen wird bzw. ein neuer Putz eingebracht wird. Deckenheiz- und -kühlsysteme Der Einsatz von Heizen und Kühlung, in Form von Deckenheiz- und -kühlsystemen, findet besonders aus Gründen der Behaglichkeit und der Effizienz gegenüber den raumlufttechnischen Anlagen immer mehr Anwendung. Bei den Deckenheiz- und -kühlsystemen unterscheidet man die Bauformen als: Abgehängte Decken bzw. Deckenpaneele Bauteilaktivierung bzw. Betonkernaktivierung Abgehängte Decken kommen sowohl im Neubau als auch im Renovierungsfall zum Einsatz. Das Heizen und Kühlen erfolgt bei Deckenpaneelen durch wasserdurchflossene Rohre direkt in den Deckenpaneelen. Betondecken werden zum Kühlen bzw. Heizen von mehrgeschossigen Gebäuden genutzt. Diese zukunftsorientierte Lösung führt zu thermisch aktiven Decken mittels wasserdurchflossener Rohrregister auch in Modulbauweise. Mit der Betonkernaktivierung wird das Ziel verfolgt, auf einfache Weise umweltschonend und kostensparend für thermische Behaglichkeit im Gebäude zu sorgen. Die Betonkernaktivierung empfiehlt sich für Gebäude mit kleinen bis mittleren Kühllasten, um einer Aufheizung im Sommer entgegenzuwirken. In Gebäuden mit mittleren bis größeren Kühllasten kann die Betonkernaktivierung zur Deckung der Grundlasten dienen. UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/

18 Uponor Wand Uponor Contec Uponor Minitec Uponor Horizontalkollektoren Uponor Erdwärmekörbe Uponor Energiepfähle Uponor Erdsonden 18 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

19 Uponor Classic Uponor Siccus Uponor Klett UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/

20 Geothermische Nutzungssysteme Systemübersicht Bei den oberflächennahen Kollektoren (Wärmetauschern) unterscheidet man prinzipiell zwischen horizontalen und vertikalen Kollektoren. Die folgende Klassifizierung üblicher Geothermiesysteme kann dabei vorgenommen werden: Horizontal Horizontalkollektor oder Flächenkollektor (Erdregister) Spiral- und Erdwärmekörbe Grabenkollektoren Vertikal Erdsonden Energiepfähle und Schlitzwände Die Eignung der jeweiligen Geothermiesysteme ist dabei von der entsprechenden Umgebung (Bodeneigenschaften und klimatischen Verhältnissen), den Leistungsdaten, der Betriebsweise, der Gebäudeart (kommerziell oder privat), den Platzverhältnissen sowie den rechtlichen Vorgaben abhängig. Horizontalkollektoren Wärmetauscher, die horizontal oder schräg in den oberen fünf Metern des Untergrunds eingebaut werden (Flächenkollektor). Hierbei handelt es sich um einzelne Rohrstränge oder parallele Rohrregister. Diese werden in der Regel neben dem Gebäude, aber auch unter der Bodenplatte installiert. Erdwärmekörbe Wärmetauscher, die vertikal in den Untergrund geringer Tiefen eingebracht werden. Hierbei werden einzelne Rohrstränge spiral- oder schraubenförmig angeordnet. Erdwärmekörbe stellen eine Sonderform der horizontalen Kollektoren dar. Energiepfähle Wärmetauscher in Pfahlgründungen, die bei Bauobjekten mit nicht tragfähigem Untergrund errichtet werden. Dabei werden einzelne oder mehrere Rohrstränge U-, spiral- oder mäanderförmig in Gründungspfählen eingebracht. Dies kann bei im Werk vorgefertigten Gründungspfählen oder direkt auf der Baustelle vor Ort geschehen, wo die Rohrstränge in vorbereiteten Bohrlöchern mit Beton umgossen werden. Erdsonden Wärmetauscher, die vertikal oder schräg in den Untergrund eingebracht werden. Dabei werden ein (einfach U-Sonde) oder zwei (doppel U-Sonde) Rohrstränge U-förmig oder konzentrisch als Innen- und Außenrohr in ein Bohrloch eingebracht. 20 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

21 Betriebsarten Nach dem Heiz- und Kühlbedarf des jeweiligen Gebäudes werden die Betriebsweise und daraus resultierend die Betriebskosten der Wärmepumpe definiert. Heizbetrieb Antriebsenergie Heiznetz Geothermie dient als Wärmequelle Medientemperatur wird von der Wärmepumpe auf ein für das Gebäude nutzbares Temperaturniveau angehoben. Geothermie Kühlnetz Kühlbetrieb (aktiv) Antriebsenergie Heiznetz Geothermie dient als Wärmesenke (Kältequelle) Temperaturniveau für passives Kühlen nicht ausreichend Verdichter aktiv Dualbetrieb möglich Geothermie Kühlnetz Kühlbetrieb (passiv/free Cooling) Antriebsenergie Heiznetz Geothermie dient als Wärmesenke (Kältequelle) Temperaturniveau aus Geothermie für passives Kühlen ausreichend nur Umwälzpumpe aktiv Kein Dualbetrieb möglich Sehr geringe Betriebskosten Geothermie Kühlnetz UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/

22 Heizen und Kühlen Dualbetrieb Antriebsenergie Heiznetz Je nach Energiebilanz im Gebäude dient die Geothermie als Wärmequelle oder Wärmesenke (Kältequelle) Geothermie Kühlnetz Auswahlmatrix geothermischer Nutzungssysteme in Abhängigkeit von der Betriebsweise und Anlagengröße Funktionsweise Heizen Kühlen Aktiv Passiv / Free Cooling Anlagengröße < 30 KW > 30 KW < 30 KW > 30 KW < 30 KW > 30 KW Erdsonde Horizontalkollektor Erdwärmekorb Energiepfahl anwendbar bedingt anwendbar in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen technisch nicht sinnvoll Passives Kühlen Free Cooling Geothermieanwendungen sind die einzigen Systeme, mit denen das sogenannte passive Kühlen bzw. Free Cooling möglich ist. Die Erdwärmesonde ist für diese Betriebsweise die effektivste Lösung aller möglichen Anwendungen. Voraussetzung hierfür ist der Einsatz eines Flächenheiz- bzw. -kühlsystems oder Luftheiz- bzw. -kühlsystems. Die Betriebsweise Free Cooling bringt grundsätzlich mehrere Vorteile für den Anwender und die Umwelt: Erhöhter Wohnkomfort durch angenehm temperiertes Raumklima Verbesserung der Jahresarbeitszahl des ganzen Systems durch Regeneration des Erdreiches Minimale zusätzliche Investitionskosten, geringe Betriebskosten Ressourcenschonend Umweltfreundlich Aufgrund der immer stärker gedämmten Bauweise von Neubauten verändert sich das Verhältnis von Heizen und Kühlen. Wo in früheren Jahren das Heizen im Vordergrund stand, wird nun durch gestiegene Komfortansprüche das Kühlen mehr fokussiert. Moderne Gebäude neigen immer stärker dazu, in den warmen Perioden des Jahres zu überhitzen. Um dem effektiv entgegenzuwirken, werden in der Regel Verschattungsmaßnahmen getroffen. Zur Erreichung einer operativen Raumtemperatur (Wohlfühltemperatur) von 26 C, wird die in der Erde gespeicherte kühlere Temperatur genutzt und diese mittels eines Flächennutzungssystems bzw. einer Lüftungsanlage an das Gebäude abgegeben. Durch das Abführen überschüssiger Wärme aus dem Gebäude in den Boden, wird dieser aktiv regeneriert, d.h. erwärmt sich wieder. Im Einfamilienhausbereich wird im Winter dem Boden meist mehr Wärme entzogen, als ihm im Sommer wieder zugeführt wird. Dies ist als unproblematisch anzusehen, da in der Regel während des Übergangs von der Heiz- zur Kühlperiode genügend Zeit für die passive bzw. natürliche Regeneration zur Verfügung steht. Die aktive Regeneration unterstützt diese zusätzlich. Bei der Nutzung von passiver Kühlung entstehen nur minimale zusätzliche Investitionskosten. Die Taupunktüberwachung sowie das Umschalten von Heizen auf Kühlen können durch moderne Regelungen 22 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

23 Operative Raumtemperatur [ C] Operative Raumtemperatur [ C] Operative Raumtemperatur ohne Einsatz passiver Kühlung Tagesverlauf operative Raumtemperatur 18 optimale operative Raumtemperatur 17 üblicher Bereich der operativen Raumtemperatur Uhrzeit [h] Operative Raumtemperatur mit Einsatz passiver Kühlung Tagesverlauf operative Raumtemperatur optimale operative Raumtemperatur üblicher Bereich der operativen Raumtemperatur Uhrzeit [h] Operative Raumtemperatur ohne Einsatz passiver Kühlung Nebenstehende Abbildung zeigt den Temperaturverlauf eines Raumes mit Außenverschattung an einem typischen Sommertag im Juli. Deutlich ist die Überhitzung des Raumes zu erkennen. Operative Raumtemperatur mit Einsatz passiver Kühlung Der Einsatz der passiven Kühlfunktion führt zu einer deutlichen Verbesserung der operativen Raumtemperatur. für Flächenheiz- und -kühlsysteme wie z.b. dem Dynamischen Energiemanagement (DEM) übernommen werden. Zusatzkosten entstehen lediglich für die Taupunktsensoren und die Montage. Im passiven Kühlfall läuft nur die Soleumwälzpumpe(n) und Heizungsumwälzpumpe der Anlage. Der Wärmepumpenverdichter steht still. Somit beschränken sich die Betriebskosten auf den Stromverbrauch der Umwälzpumpe(n). Beispielrechnung mögliche jährliche Kosten passive Kühlung Soleumwälzpumpe Heizungsumwälzpumpe el. Leistung 5 70 W W el. Leistung bei errechnetem Volumenstrom 60 W 55 W Laufzeit 800 h 800 h Jährlicher Energiebedarf gesamt 48 kwh 44 kwh Strompreis pro kwh 0,20 /kwh 0,20 /kwh Jährliche Energiekosten 9,60 8,80 Gesamtenergiekosten 18,40 Beispielrechnung mögliche jährliche Kosten aktive Kühlung Kompressor Heizungsumwälzpumpe el. Leistung 2300 W W el. Leistung bei errechnetem Volumenstrom 55 W Laufzeit 800 h 800 h Jährlicher Energiebedarf gesamt 1840 kwh 44 kwh Strompreis pro kwh 0,20 /kwh 0,20 /kwh Jährliche Energiekosten 368,- 8,80 Gesamtenergiekosten 376,80 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/

24 Horizontalkollektoren System/Einsatzbereich Anwendungsbeschreibung Horizontalkollektoren sind die am weitesten verbreitete Variante der oberflächennahen Wärmetauscher. Sie bestehen aus horizontal, also parallel zu Erdoberfläche verlegten Vorteile Vergleichsweise geringe Investitionskosten Gute Jahresarbeitszahlen Einfache Installation Ideale Lösung für Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie kleine Gewerbe- und Industrieanwendungen Geringe Einbautiefe ohne Auswirkung auf den Wasserhaushalt Rohren. Die einzelnen Rohrschlaufen werden hierbei je nach Anforderung und den gegebenen Umständen mit Rohrabständen von 0,5 m bis 0,8 m (bei Rohrdimensionen da 40 mm 1,2 bis 1,5 m) verlegt ähnlich zu den Rohrschleifen einer Fußbodenheizung. Die Vor- und Rücklaufleitungen der einzelnen Rohrschlaufen werden in Sammelund Verteilerschächten oder auf Hinweis: Die Kombination von Horizontalkollektoren mit der Uponor EPG6 Kühlstation ergibt eine ideale Free Cooling-Lösung. Schematische Darstellung Horizontalkollektoranlage Verteiler zusammengeführt und der Wärmepumpe zugeführt. Der wesentliche Vorteil der Horizontalkollektoren ist die niedrige Investition bei relativ hohen Jahresarbeitszahlen. Von den erdgebundenen Wärmetauschern stellt der Horizontalkollektor mit die günstigste Variante dar. Ein relativ hoher Flächenbedarf an unversiegelter Gartenfläche ist vorzusehen. Eine Alternative zu den Horizontalkollektoren ist die Aktivierung der Fundamentplatten zum Heizen und/oder passiven Kühlen. Hier wird keine zusätzliche Fläche neben dem eigent lichen Gebäude benötigt. Da die meisten Gebäude auf Fundamentplatten, Streifen-, oder Punktfundamenten oder einer Kombination gründen, bietet sich eine Nutzung der Erdwärme über die Fundamente an. Unterhalb der Fundament- bzw. Bodenplatte, also zwischen Erdreich und Platte, wird in der Regel eine so genannte Sauberkeitsschicht eingebaut, die aus Magerbeton oder Feinkies besteht. Zur Nutzung von Erdwärme können hier Wärmetauscherrohre integriert werden. Die erreichbaren Leistungen mit Fundamentplatten sind begrenzt und deutlich geringer als bei nicht überbauten Horizontalkollektoren; hier ist neben den Bodengegebenheiten der Grundwasserstand und Grundwasserfluss von ganz entscheidender Bedeutung. Temperaturen unterhalb der Frostgrenze sind zwingend zu vermeiden! 24 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

25 Funktionsweise Die von Horizontalkollektoren dem Erdreich entzogene Wärme ist zu über 99 % im Erdreich gespeicherte Sonnenenergie und keine geothermische Energie aus dem Erdkern. Aus diesem Grund ist der thermische Kontakt zur Erdoberfläche für die Leistungsfähigkeit von entscheidender Bedeutung. Im Winter ist die auf das Erdreich netto eintreffende Sonnenenergie am geringsten, jedoch der Wärmeentzug von Erdwärmekollektoren mittels Wärmepumpen am größten. Die entzogene Energie ist die im Sommer im Erdreich eingespeicherte Sonnenenergie. Die wesentliche Speicherkapazität des Erdreichs ist auf den Phasenwechsel des im Erdreich befindlichen Wassers zurückzuführen. Damit ein Erdkollektor diese Speicherkapazität nutzen kann, ist es notwendig, dass die Oberkante des beliebig geformten Kollektors unterhalb der natürlichen Frostgrenze liegt. Physikalische Eigenschaften der charakteristischen Bodentypen Einheit Sand Lehm Schluff Sandiger Ton Wassergehalt % Vol. 9,3 28,2 38,1 36,4 Wärmeleitfähigkeit W/mK 1,22 1,54 1,49 1,76 Spezifische J/kg K Wärmekapazität Dichte kg/m³ Quelle: VDI 4640 Tiefe im Boden [m] Temperatur (Erdoberfläche) [ C] Uponor Horizontal Kollektor Einbautiefe: i.d.r. 1,2-1,5 m Temperatur (Tiefe) [ C] Im Mittel steigt die Bodentemperatur ca. alle 33 m um 1 C 1. Februar 1. Mai 1. November 1. August Verlegung der einzelnen Rohrschlaufen Fixierung der Rohrschlaufen auf Bewehrungsmatten UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/

26 Anwendungsgrenzen Die Leistungsfähigkeit eines Horizontalkollektors hängt im Wesentlichen vom Wassergehalt des umgebenden Erdreichs ab. Bei Sandboden mit seiner geringen Kapillarwirkung versickert Niederschlagswasser schnell in tiefere Erdschichten. Lehmboden mit einer hohen Kapillarwirkung kann dagegen das Wasser wesentlich besser gegenüber der Schwerkraft halten. Diese Unterschiede bewirken, dass bei Sand der volumetrische Wassergehalt in der Regel unter 10 % und bei Lehmboden über 35 % liegt. Im Lehmboden steht einem Horizontalkollektor somit mehr als die doppelte Wassermenge pro Erdreichvolumen als Latentspeicher zur Verfügung als im Sandboden. Darüber hinaus verbessert Wasser im Erdreich auch die Wärmeleitfähigkeit, wodurch die gespeicherte Wärme aus tieferen Erdschichten und die Sonnenenergie von der Erdoberfläche leichter zu den Kollektoren hin strömen können. In der obenstehenden Tabelle wird zwischen Sand, Lehm, Schluff und sandigen Ton unterschieden, was das breite Spektrum der in der Natur vorkommenden Böden gut widerspiegelt. Als Sand ist hierbei lockerer, deutlich aus einzelnen Körnern (> 50 mm) bestehender Boden gemeint. Bei diesem Bodentyp ist die Kapillarwirkung äußerst gering und die hydraulische Leitfähigkeit groß. Niederschlagswasser versickert dadurch schnell in tiefere Erdschichten, was oberhalb vom Grundwasser zu einem niedrigen volumetrischen Wassergehalt unter 10 % führt. Lehm besteht im Wesentlichen aus einer Mischung aus Sand und Schluff. Schluff stellt dabei einen Boden mit mittelfeiner Körnung (zwischen 2 mm und 50 mm) dar. Diese bindigen Bodentypen haben in der Regel volumetrische Wassergehalte zwischen 20 und 40 % und sind daher für Horizontalkollektoren deutlich besser geeignet als Sand. In sandigem Ton, bei dem die größte Fraktion aus sehr feinen Körnern (< 2 mm) besteht, ist die Kapillarwirkung noch größer, was zu volumetrischen Wassergehalten über 30 % führt. Die genauen physikalischen Eigenschaften weichen von Ort zu Ort ab, was unter anderem an den unterschiedlichen Niederschlagsmengen liegt. In der nachfolgenden Tabelle sind die Mittelwerte der physikalischen Eigenschaften der einzelnen Bodentypen dargestellt. Innerhalb Europas sind die klimatischen Unterschiede so groß, dass es nicht sinnvoll ist, Horizontalkollektoren überall entsprechend den gleichen Regeln auszulegen. In den warmen Klimazonen ist eine höhere flächenspezifische Entzugsleistung möglich, ohne mit Schäden an der Anlage oder Umwelt rechnen zu müssen. Bau und Umwelt Im Heizfall entziehen Horizontalkollektoren dem Erdreich Wärme, so dass es sich daraufhin unter das Temperaturniveau des ungestörten Erdreichs abkühlt. Bei der Auslegung ist darauf zu achten, dass das umliegende Erdreich und die Umwelt dadurch nicht zu stark beeinflusst oder beschädigt werden. Generell gilt, dass sich die Flora über einem Horizontalkollektor im Frühjahr geringfügig verzögert entwickeln kann. Da sich der Horizontalkollektor in der Regel in Tiefen unter einem Meter befindet und nur wenige Wurzeln von Gartenpflanzen bis in diese Tiefe treiben, ist der Einfluss jedoch gering. Prinzipiell kann das Erdkollektorfeld beliebig bepflanzt werden, sogar mit Bäumen. Erdkollektorrohre in der üblichen Tiefe können nicht durch Wurzeln beschädigt werden und die Beeinflussung der Pflanzen durch die Rohre ist minimal. Anhaltswerte für die Auslegung von Horizontalkollektoren Untergrund Spezifische Entzugsleistung q E bei h/a [W/m²] spezifische Entzugsleistung q E bei h/a [W/m²] Verlegeabstand s Verlegetiefe [m] [m] [m] Trockener, nichtbindiger Boden ,2 1,5 > 0,7 Bindiger, feuchter Boden ,8 1,2 1,5 > 0,7 Wassergesättigter Sand/Kies ,5 1,2 1,5 > 0,7 Abstand zur Versorgungsleitungen Bei längeren Laufzeiten ist neben der spez. Entzugsleistung q auch die spez. Entzugsarbeit zu berücksichtigen. Für Erdwärmekollektoren sollte diese zwischen 50 und 70 kwh/(m² Jahr) liegen. Richtwert zur Erdwärmekollektorausbildung nach VDI 4640: gültig nur für reinen Heizbetrieb und Warmwasserbereitung! 26 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012

27 Kollektorrohrschlaufen aus PE-Xa Entstehung eines Bodenplattenkollektor Nicht die sensible Abkühlung, sondern vielmehr die Eisbildung im Winter kann zu Schäden führen. Beim Unterschreiten der Rohroberflächentemperatur von 0 C, beginnt das im umliegenden Erdreich befindliche Wasser zu gefrieren. Geringfügige Eisbildung ist generell nicht problematisch, da auch das ungestörte Erdreich bis in eine Tiefe von 0,5 m 0,8 m im Winter gefriert und mit den steigenden Temperaturen im Frühjahr wieder auftaut. Aufgrund zweier Effekte kann das Erdreich bzw. die Umwelt jedoch bei zu starker Eisbildung negativ beeinflusst werden. Expansion des Wassers beim Gefrieren Das in den Poren des Erdreichs befindliche Wasser vergrößert sein Volumen beim Gefrieren. Sind nur relativ wenig Poren mit Wasser gefüllt, hat die Eisbildung keine bemerkenswerten Auswirkungen, da sich dann das Eis in die benachbarten, mit Luft gefüllten Poren, ausdehnen kann. Bei hohem Wassergehalt entstehen jedoch Spannungen mit verschiedenen Folgen. Das Wasser in Kollektornähe gefriert zuerst und dehnt sich dabei aus. Durch die Expansion wird das um das Kollektorrohr befindliche Erdreich nach außen gedrückt. Vor allem lehmige Böden bleiben auch, nachdem das Eis im Frühjahr wieder geschmolzen ist, in dieser Form. Der thermische Kontakt vom Kollektorrohr zum Erdreich ist dadurch unterbrochen. Erst durch verstärkte Niederschläge kann der Zwischenraum wieder umspült werden. Wasserschäden im Frühjahr Wenn die Eisradien um die einzelnen Kollektorrohre zusammenwachsen, ist der vertikale Feuchtigkeitstransport unterbrochen. Das sich im Frühjahr bildende Schmelzwasser und die wieder stärker werdenden Niederschläge können dann nicht versickern. Es entsteht Matsch an der Erdoberfläche. Vor allem an steilen Hängen können durchgängige Eisschichten unter wassergesättigtem Boden auch zu Erdrutschen führen. Bei einer Geländesteigung bis zu 15 % kann der Horizontalkollektor jedoch bedenkenlos parallel zur Erdoberfläche installiert werden. Es ist also zu beachten, dass evtl. zusammengewachsene Eisradien im Frühjahr rechtzeitig wieder soweit zurück tauen, damit das Wasser zumindest in den Zwischenräumen hindurch sickern kann. Da der jährliche Temperaturverlauf und der Beginn der Vegetation im Frühjahr regional sehr unterschiedlich sind, ist es nicht zweckmäßig, hierfür ein festes Grenzdatum festzulegen. Stattdessen wird der Zeitpunkt als zweckmäßig angesehen, wenn die über zwei bis vier Tage gemittelte Umgebungstemperatur eine Grenztemperatur von 12,0 C erreicht. Dieser Zeitpunkt liegt in der Regel zwischen Mitte April und Mitte Mai. Bis dahin sollen die Eisradien soweit zurückgetaut sein, dass sie sich nicht mehr berühren. Das versickernde Wasser beschleunigt danach das weitere Abtauen. Der Effekt der Wasserschäden ist besonders hoch bei gut gesättigten sandigen Böden nahe am Grundwasserspiegel, da bei diesen normalerweise das Wasser sehr gut versickern kann und die Eisschicht den natürlichen Abfluss behindern würde. In tonigen Böden versickert das Wasser auch im ungefrorenen Zustand nur langsam, weshalb eine geschlossene Eisschicht den natürlichen Abfluss weniger beeinflusst. Bei konsequenter Auslegung des Horizontalkollektors nach VDI 4640 sind Umweltbeeinflussungen nicht zu erwarten. UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/

28 Auslegung von Horizontal kollektoren Die Dimensionierung von Horizontalkollektoren hängt neben der Bodeneigenschaften und den klimatischen Bedingungen von der jährlichen Betriebsstundenzahl der Wärmepumpenanlage ab. In der Regel wird von einer maximalen Betriebsstundenzahl von 1800 h ausgegangen. Die erforderliche Kollektorfläche bei Horizontalkollektoren richtet sich nach der spezifischen Entzugsleistung q E des Bodens und der Kälteleistung Q O der Sole/Wasser-Wärmepumpe. A min = Q O q E [m²] Die Kälteleistung entspricht dem aus der Umgebung entzogenen Leistungsanteil der Wärmepumpe und stellt die Differenz der Heizleistung Q H und der elektrischen Leistungsaufnahme P el dar. Q O = Q H P el Die notwendige Kollektorrohrlänge L K wird aus der erforderlichen Kollektorfläche AK und dem Abstand s der Kollektorrohre ermittelt. L K = A min s [W] [m] Verkleinert man den Rohrabstand bei gleicher Entzugsleistung, besteht prinzipiell die Gefahr der Matschbildung im Frühjahr. Die Eisradien um die Rohre würden dann nicht rechtzeitig zurücktauen, um Freiräume zur Versickerung der Niederschläge frei zu machen. Vergrößert man den Rohrabstand, sinkt die Soletemperatur für den gleichen Wärmeentzug weiter ab. Im Spitzenlastfall würde die Solerücklauftemperatur dann -5 C unterschreiten, was zum Abschalten der Wärmepumpe führen kann. Eine Abweichung vom Rohrabstand um mehr als 5 cm erfordert daher stets eine Verringerung der flächenspezifischen Entzugsleistung. Berechnungsbeispiel Wärmepumpe (Daten Hersteller) - Heizleistung Q H = 8,9 KW - Elektische Leistungsaufnahme P el = 1,98 KW Kälteleistung Q O = 6,92 KW Horizontalkollektor (Daten nach VDI 4640) - Jahresnutzungsdauer 1800 h - Entzugsleistung q E = 25 W - Verlegeabstand s = 0,8 m Kollektorfläche A min = 277 m² L K = 346 m Auslegung Horizontalkollektor 4 Heizkreise à 100 m Tatsächlicher Verlegeabstand = 0,69 m Bei der Dimensionierung der Kollektorrohre ist auf geringe Druckverluste wichtig erhöhte Zähigkeit der Sole gegenüber Medium Wasser zu achten, da die Pumpenleistung die Jahresarbeitszahl β der Wärmepumpenanlage verringert. Bei der monovalenten Auslegung der Sole/Wasser-Wärmepumpe muss die Wärmequelle auf den Leistungsbedarf des Gebäudes Q G und nicht auf den der Wärmepumpe ausgelegt werden. Der Gesamtleistungsbedarf Q WP beinhaltet den Leistungsbedarf des Gebäudes Q G und zur Brauch- bzw. Warmwasserbereitung Q ww unter Berücksichtigung einer Sperrzeit Z. Q WP = (Q G + Q WW ) Z [W] Wird bei der Wahl der Wärmepumpe auf ein Modell mit geringerer Heizleistung bzw. kleineren Kollektorfläche zurückgegriffen, so erhöhen sich die Betriebsstunden der Wärmepumpe. Dies bedeutet, der Kollektor wird mehr belastet bzw. eine größere Entzugsarbeit entsteht. Zur Kompensation der Betriebsstundenerhöhung muss dann die Kollektorfläche vergrößert werden und ein erhöhter Stromverbrauch ist die Folge. Eine sorgfältige Planung und Dimensionierung von Horizontalkollektoren ist unabdingbar. Unterdimensionierungen sind zu ver meiden; sie führen zum Ab - sinken der Soletemperaturen und somit zu schlechten Jahresarbeitszahlen. Unterdimensionierung kann zu dauerhaft absinkenden Wärmequellentemperaturen führen; im Extremfall wird die Einsatzgrenze der Wärmepumpe unterschritten. 28 UPONOR GEOTHERMIE TECHNISCHE INFORMATION 07/2012