International Geothermal Center Hochschule Bochum. Lehrveranstaltung. Geologie und geogene Energieträger

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1 International Geothermal Center Hochschule Bochum Lehrveranstaltung Geologie und geogene Energieträger VDI 4640 Thermische Nutzung des Untergrundes Blatt 2 Prof. Rolf Bracke Timm Eicker / Gregor Bussmann WS 2011 / 12 1

2 VDI 4640 Thermische Nutzung des Untergrundes Blatt 1: Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte Blatt 2: Erdgekoppelte Wärmepumpen Blatt 3: Unterirdische thermische Energiespeicher Blatt 4: direkte Nutzungen

3 Blatt 2: Erdgekoppelte Wärmepumpen 1 Geltungsbereich 2 Abkürzungen 3 Nutzung des Grundwassers mit Brunnenanlagen 4 Nutzung des oberflächennahen Untergrundes mit Erdwärmekollektoren 5 Nutzung des Untergrundes mit Erdwärmesonden 6 Besonderheit von Anlagen zur Direktverdampfung 7 Besonderheit weiterer Wärmequellen(-senken)-Anlagen 8 Systemeinbindung 9 Wärmenutzungsanlage 10 Rückbau erdgekoppelter Wärmepumpenanlagen Anhang: Normen, Richtlinien, Schriften etc.

4 Kap. 3. Nutzung des Grundwassers mit Brunnenanlagen Wasser-Wasser- Wärmepumpe mindestens zwei Brunnen Ausführung durch zugelassene Brunnenbauunternehmern Grundwassernutzung ist genehmigungspflichtig

5 Kap. 3.1 Auslegung Brunnenanlage Hydraulische Parameter Leistung Förderbrunnen: ca. 0,25 m3 / h pro kw Verdampferleistung Nachweis über Pumpversuche Bsp.: Bei einer Verdampferleistung von 10 KW sind eine Fördermenge von 2,5 m³/h erforderlich. Rückführung des von der Wärmepumpe abgekühlte oder erwärmte Grundwasser wird einen oder mehrere Schluckbrunnen Schluckbrunnen muss in Grundwasserfließrichtung muss in ausreichendem Abstand vom Förderbrunnen gebohrt werden.

6 Kap. 3.1 Auslegung Brunnenanlage Hydrochemische Parameter O2-arme Gewässer mit niedrigem Redox-Potenzial: Gefahr der Brunnenverockerung durch Fe + Mn Verhinderung von Luftkontakt Geschlossenhaltung des Systems + Überdruck ggf Wasseraufbereitung (Enteisenungsstufe) Analytik gemäß: DIN T. 1-5: Korrosion metallischer Werkstoffe in Leitungen DIN 4030: Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase Parameterkatalog für größere Anlagen: Temperatur ph-wert O2-Gehalt Leitfähigkeit Redox-Potential Calcium Magnesium Natrium Kalium Eisen Mangan Nitrat Phosphat Sulfat Chlorid Hydrogencarbonat Ammonium gegebenenfalls weitere Parameter

7 Kap. 3.2 Installation Brunnenanlage: Bohrarbeiten und Brunnenbau Vorbereitung: Planung + Ausführung nach ATV DIN Bohrarbeiten ATV DIN Brunnenbauarbeiten mit Festlegung von: Brunnenanzahl, Art des Bohrverfahrens, Tiefe, Durchmesser, Lage der Brunnen Organisation: erforderlicher Volumenstrom (Wassermenge der WQA) gem. Anforderung WP Einholen der wasserrechtlichen Genehmigung Freigabe betreffs Munitionsfreiheit Versorgungsleitungen Sonstige Einschränkungen des Betriebs Festlegung von Verantwortlichkeiten; Platzbedarf für den Bohrplatz nebst Peripherie (Zufahrt, Transportwege, Spülteiche); Vorbereitung / Durchführung der Entsorgung von Spülgut Bereitstellung von Hilfsstoffen

8 Kap. 3.2 Installation Brunnenanlage korrosionsfester Ausführung der Unterwasserpumpen Führung des Fallrohres im Schluckbrunnen bis unter den Ruhewasserspiegel Verlegung der Rohrleitungen in ausreichender, frostsicherer Tiefe bzw. Dämmung Das Grundwasser sollte im gesamten Kreislauf nicht mit Luft in Kontakt kommen.

9 Auslegung Umwälzpumpe abhängig von: Volumenstrom der Wärmepumpe (wärmequellenseitig) Druckdifferenz der Wärmepumpe (wärmequellenseitig) Druckdifferenz in der Rohrleitung vom Förderbrunnen zum Sickerbrunnen Druckdifferenz in den Armaturen, z.b. Rückschlagventil ( Zuschlag ca. 30% auf die Druckdifferenz der Rohrleitung) Druckverlust im Sickerbrunnen (Erfahrungswert ca. 200 hpa) Geodätische Förderhöhe

10 Ermittlung Volumenstrom Wasser- Wärmepumpe

11 Ermittlung Volumenstrom + Druckdifferenz Wasser- Wärmepumpe

12 Ermittlung der Brunnenpumpe: Aus der Summe der gesamten Druckdifferenzen im System und dem Volumenstrom der Wärmepumpe, kann die Brunnenpumpe aus den Hersteller-Diagrammen ermittelt werden

13 Kap. 4. Nutzung des oberflächennahen Untergrundes mit Erdwärmekollektoren

14 Kap. 4.1 Auslegung Erdwärmekollektoren Entzugsleistungen (Bedingungen): - nur Wärmeentzug (Volllaststunden nur Heizung) - bei WW-Bereitung durch Wärmepumpe sind dadurch entstehende höhere Volllaststunden zu berücksichtigen - Temperatur im Kollektorrücklauf soll im Dauerbetrieb +/- 12 K ΔT gegenüber der ungestörten Erdreichtemperatur nicht überschreiten (Spitzenlast +/- 18 K)

15 Kap. 4.2 Installation Erdwärmekollektoren Allgemein: - Kollektoren dürfen nicht überbaut werden - Oberfläche darf nicht versiegelt werden - Ausnahme: ja, mit Begründung und Anpassung der Auslegung Verlegetiefe / -abstand: - Tiefe zwischen 1,2-1,5 m, um eine Vereisung zu vermeiden und die zufließende Wärmemenge von der Erdoberfläche sicherzustellen - üblicher Verlegeabstand 0,3 0,8 m (Eisradien, die sich um die Entzugsrohre bilden, dürfen nicht zusammenwachsen) Verlegefläche: - Ermittlung über die Kälteleistung QK der Wärmepumpe: QK = QWP PWP mit: QWP = Heizleistung und PWP = Leistungsaufnahme Erdarbeiten: - Erstellung von Gräben oder - ganzflächiges Abtragen des Untergrundes

16 Beispiel Installation Erdwärmekollektoren gegeben: Wärmequellen-Temp. = 0 C / Heizungs-Vorlauf-Temp. = +35 C; WP mit Heizleistung von 9,9 kw und Leistungsaufnahme von 2,2 kw; spezifische Entzugsleistung Untergrund 25 W/m2 QK = 9,9 kw 2,2 kw = 7,7 kw Fläche = QK / qe = 7700 W / 25 W/m2 = 308 m2 Erdreich Rohrlänge bei Rohrabstand von 0,6 m: 308 m2 / 0,6 m = 513 m Rohr; d.h. 5 Kreise á 100 m Länge

17 Kap. 5. Nutzung des Untergrundes mit Erdwärmesonden

18 Wirkprinzip von Erdwärmesonden Das Wirkungsprinzip liegt darin, einen für die Wärmepumpe nutzbaren Temperaturunterschied zwischen Sondeneintritts- und Sondenaustrittstemperatur des durch das Sondensystem zirkulierenden Wärmeträgermedium herzustellen. So erwärmt sich dieses Medium bei der Passage durch die Sonde im Sondensystem, wenn seine Temperatur bei Sondeneintritt unter der Temperatur des erschlossenen Erdreichs liegt. Beim Kühlfall verhält es sich umgekehrt. Je Meter Sondenlänge lassen sich mit Standard-Sondensystemen in den Bandbreiten der geologischen und betrieblichen Randbedingungen des Gesamtsystems durchschnittliche Leistungen von 25 W bis 100 W entziehen. Werden mehrere oberflächennahe Erdwärmesonden zu einem Sondenfeld zusammengeschaltet, ist eine Versorgung von größeren Objekten bis hin zu kleineren Infrastrukturen mit einer Wärmelast von mehreren hundert Kilowatt möglich.

19 Entzugsleistung von Erdwärmesonden abhängig von: Sondenmaterial (HDPE/Stahl etc.) Sondentyp (U-, Koaxial-, Wellrohr-Sonde etc.) Sondengeometrie (Durchmesser, Sondenlänge) Umgewälzter Volumenstrom (turbulentes /laminares Fließen) Sondenfluid Bohrdurchmesser Anbindung an das Gebirge (therm. Optimiertes Verpressmaterial) Anzahl und Abstand der Sonden (gegenseitige Beeinflussung) Thermische und hydraulische Untergrundeigenschaften (Wämeleitfähigkeit, Untergrundtemperaturen, Grundwasserfluss)

20 Kap. 5.1 Auslegung von Erdwärmesonden Anlagen < 30 KW Für kleine Erdwärmesondenanlagen < 30 KW Heizleistung gibt die VDI 4640 Blatt 2 für verschiedene Gesteinsarten spezifische Entzugsleistungen. Diese Angaben beruhen auf langjährigen Erfahrungen und statistischen Auswertungen in Betrieb befindlicher Erdwärmesondenanlagen. Zur Anwendung der Tabellenwerte sind folgende Voraussetzungen einzuhalten: - nur Wärmeentzug (Heizung einschl. Warmwasser) - Länge der einzelnen Erdwärmesonden zwischen 40 und 100 m - kleinster Abstand zwischen zwei Erdwärmesonden: - mindestens 5 m bei Erdwärmesondenlängen 40 bis 50 m - mindestens 6 m bei Erdwärmesondenlängen >50 bis 100 m - als Erdwärmesonden kommen Doppel-U-Sonden mit DN 20, DN 25 oder DN 32 mm oder Koaxialsonden mit mindestens 60 mm Durchmesser zum Einsatz - nicht anwendbar bei einer größeren Anzahl kleiner Anlagen auf einem begrenzten Areal

21 Kap. 5.1 Auslegung von Erdwärmesonden Tabellenwerte VDI 4640 Bl. 2 für Erdsondenanlagen < 30 KW

22 Beispiele zur Ermittlung der Sondenlänge (Tabellenwerte der VDI 4640 Bl. 2) Wärmepumpe Heizleistung: 13 kw Vorlauftemperatur: 35 C elektrische Leistungsaufnahme: 3 kw Verdampfer-(Kälte-)leistung: 10 kw Jahresbetriebsstunden: h/a (Heizung) Untergrund: Kalkstein spezifische Entzugsleistung: 50 W/m erforderliche Sondenlänge: W / 50 W/m = 200 m

23 Weitere Berechnungsansätze neben der VDI Leistungsdiagramme der SIA (siehe Diagramm) - Formeln - z.b. (Wenzel & Hübschmann; Freistaat Sachsen) VDI 4640: 60 W/m Große Unterschiede spezifische Entzugsleistung ist eine Hilfskonstruktion zur Auslegung von kleineren Erdwärmesonden- Anlagen ohne Einsatz von Software. Nur unter Einhaltung von definierten Rand- und Betriebsbedingungen möglich. SIA 384-6: 35 W/m

24 Kap. 5.1 Auslegung von Erdwärmesonden Anlagen > 30 KW Bei größeren Bauvorhaben sind Voraussetzungen für Anwendung der Tabellenwerte der VDI 4640 nicht erfüllt, da i.d.r. die Heizlast von 30 KW deutlich überschritten wird. In vielen Fällen handelt es sich hierbei um Bürogebäude, bei der darüber hinaus auch der geothermische Kühlfall zur Anwendung kommt Die VDI-Richtlinie 4640, Blatt 2 sieht in solchen Fällen vor, die korrekte Heiz- bzw. Kühlleistung durch Berechnungen der ergebenden Temperaturen im Jahresverlauf über den vorgesehenen Betriebszeitraum (z.b. 25 a) hinweg nachzuweisen. Betrachtung der monatlichen Mittelwerte des Wärme-/Kältebedarfs sowie parallel dazu kurzfristigen Maximallasten Berechnungsansätze über die Kelvinschen Linienquellentheorie bzw. sog. g- Funktionen (analytische Lösung für den Wärmefluss in Abhängigkeit von Anzahl, Anordnung und Abstand der Bohrungen) Entwicklung von Simulationsprogramme wie z.b. Earth Energy Designer (EED) oder EWS etc., mit denen der Temperaturverlauf des Wärmeträgers über größere Laufzeiten (z.b. 25 Jahren) in Abhängigkeit von den ermittelten Untergrundparametern, der Sondengeometrie und den Lastprofilen berechnet werden kann. Einsatz von numerischen Simulationsprogrammen zum Wärme- und Grundwassertransport insbesondere bei starken Grundwasserfluss (Finite Differenzen und Finite Elemente)

25 Installation von Erdwärmesonden nach Wasserrecht genehmigungspflichtig Pilotbohrung bei größeren Anlagen (> 30 kw) in einer unklaren geologischhydrogeologischen Situation Durchführung Bohrung und Sondeneinbau durch zugelassene Bohrunternehmern (z.b. Zertifizierung nach DVGW-Arbeitsblatt W120) Sondenfuß und seine Anschlüsse an die Sondenrohre sind werkseitig herzustellen und einer Druckprüfung zu unterziehen. Schweißverfahren gem. Richtlinien des DVS Erleichtertes Einbringen der Erdwärmesonde durch vorherige Füllung mit Wasser, spätestens vor dem Verfüllen des Bohrlochs zur Vermeidung eines Aufschwimmens (ggfs. zus. Sondengewicht)

26 Installation von Erdwärmesonden Einführung eines Verfüllrohres mit der Sonde Funktionsendprüfung der mit Wasser gefüllten Erdwärmesonde (Prüfdruck: mindestens 6 bar; Vorbelastung: 30 min; Prüfdauer: 60 min; tolerierter Druckabfall: 0,2 bar). Verfüllen des Ringraums zwischen Sondenrohren und Bohrlochwand mit einer erstarrungsfähigen, dauerhaft abdichtenden Suspension im Kontraktorverfahren von unten nach oben Unterbindung des hydraulischen Kurzschluss zwischen Grundwasserstockwerken bzw. Abdichtung des Bohrloches nach oben gegen den Eintrag von Schadstoffen Therm. optimierte Verpressmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit zur besseren Anbindung an das Gebirge

27 Installation von Erdwärmesonden Horizontale Leitungsführung in parallel geschalteten Kreisen zum Verteiler, wobei am höchsten Punkt der Anlage die Verteiler und Sammler oder eine entsprechende Entlüftungsstation vorzusehen sind. Ausrüsten der einzelnen Erdwärmesonden mit Ventilen zur Einregulierung und Absperrung Druckprobe des gesamtsystems mit 1,5-fachen Betriebsdruck Zirkulation des Wärmeträgermediums durch Umwälzpumpe Vermeidung von zu großen Druckverlusten durch hydraulisch optimierte Rohrdurchmesser und Leitungsführung (Quelle: HakaGerodur AG)