Geothermie-Bohrungen für Anwendungen in Gebäuden: Dimensionierung und Ausführung

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1 Geothermie-Bohrungen für Anwendungen in Gebäuden: Dimensionierung und Ausführung Christian Bornitz CMB+ Bohrtechnik für Erdwärme GmbH

2 CMB+ Bohrtechnik für Erdwärme GmbH 2005 Gründung des Unternehmens 2009 DVGW-Zertifikat für Bohrungen >100 m derzeit sind 3 Bohrteams im Einsatz Montageteam (zuständig für die horizontale Sondenanbindung) Planungsteam (Auslegungsberechnungen von EWS-Anlagen) Bohrgeräte: Klemm W707, Fraste Multidrill, Doppelrotorkopfbohranlagen für Imlochhammerbohrungenim Lufthebeverfahren oder Spülbohrverfahren Christian Bornitz Seite 2

3 CMB+ Bohrtechnik für Erdwärme GmbH bisher ca. 380 Erdwärmesondenanlagen errichtet Ein-und Mehrfamilienhäuser bis 30 kw (1 bis 7 Bohrungen à 100 m) Bürogebäude bis 50 kw Kindergärten bis 40 kw Schulen bis 80 kw Seniorenzentren bis 80 kw Christian Bornitz Seite 3

4 Dienstleistungen Auslegung der Erdwärmesondenanlage (Anzahl & Tiefe der Bohrungen) Einholen der behördlichen Genehmigung Durchführung der Bohrarbeiten (Bohrverfahren je nach Geologie) Ringraumverfüllung der Bohrungen Qualitätssicherung: Druckprüfung der Sonden, Dichte- und Mengenbestimmung des Verpressmaterials Horizontale Sondenanbindung (Graben erstellen, Verteilerschacht setzen, etc.) Dokumentation der Bohr- und Einbauarbeiten auf Wunsch: Einbau, Anschluss und Inbetriebnahme der Wärmepumpe Christian Bornitz Seite 4

5 Einzugsgebiet der CMB+ Bohrtechnik Firmensitz Idstein Auszug aus der Geologischen Karte Hessen Christian Bornitz Seite 5

6 Geologien im Einzugsgebiet der Firma Grauwacke/Diabas Tonstein/Tonschiefer Basalt Tertiär: Tone/Schluffe Buntsandstein Taunusquarzit Flusssedimente: Sande/Kiese/Schluffe Auszug aus Geolog. Karte Hessen Christian Bornitz Seite 6

7 Auslegung einer Erdwärmesondenanlage A. Kleinanlagen bis 30 kw Heizleistung Dimensionierung nach VDI Richtlinie 4640 B. Großanlagen (gem. VDI 4640): - bei einer größeren Anzahl von Einzelanlagen - bei Anlagen > 2400 Volllaststunden pro Jahr (Ausnahme: bivalent) - bei Anlagen mit Kühlung (bzw. zusätzliche Wärmequellen/-senken) - bei Anlagen >30 kw Heizleistung korrekte Auslegung der Wärmepumpenanlage durch Berechnungen z.b. mittels Earth Energy Designer (EED) Christian Bornitz Seite 7

8 A. Auslegung einer Kleinanlage z. B. Einfamilienhaus (EFH) Beurteilung des Standortes auf der Grundlage - von Kartenmaterial der Geologischen Landesämter - Geologischen Karten - Archiv der Bohrfirma Christian Bornitz Seite 8

9 HLUG: Standortbeurteilung Hochtaunuskreis (2009) Christian Bornitz Seite 9

10 A. Auslegung einer Kleinanlage z. B. Einfamilienhaus (EFH) Nach Kenntnis der geologischen Gegebenheiten: Auslegung nach VDI 4640 Voraussetzung: zuständiger Heizungsbauergibt die benötigte Heizleistung der Wärmepumpe (WP) an z.b. 8 kwbei Neubau EFH! Es gilt: erforderliche Sondenlänge (m) = Verdampferleistung WP (kw) spezifische Entzugsleistung (W/m) Christian Bornitz Seite 10

11 VDI 4640, Blatt 2, Tabelle 2, spezifische Entzugsleistungen! Christian Bornitz Seite 11

12 Beispiel: EFH in Idstein, WP 8 kw Heizleistung, 2400 Betriebsstunden im Jahr Tonstein/Tonschiefer 50 W/m Entzugsleistung (VDI 4640) Jahresarbeitszahl WP β= 4 elektrische Antriebsleistung WP 8 KW : 4 = 2 kw Verdampferleistung WP 8 kw 2 kw = 6 kw = 6000 W 6000 W : 50 W/m = 120 m erforderliche Gesamtsondenlänge Bohrungen: 1 Sonde à 120 m oder 2 Sonden à 60 m Christian Bornitz Seite 12

13 Plausibilitätsprüfung Tiefe u. GOK [m] 3,0 Material Aufschüttung, Kies, sandig, trocken Mächtigkeit [m] Entzugsleistung in Anlehnung an VDI W/m 60 W 12,0 Ton, erdfeucht 9 30 W/m 270 W 24,0 Sand, schwach kiesig, nass W/m 660 W 31,0 Ton, schluffig, feucht 7 30 W/m 210 W 36,0 Sand, schwach schluffig, feucht 5 50 W/m 250 W 42,0 Braunkohle, Schluff, tonig, erdfeucht 6 30 W/m 180 W 57,0 Ton, schluffig, erdfeucht W/m 450 W 66,0 Sand, kiesig, nass 9 55 W/m 495 W 69,0 Schluff, erdfeucht 3 30 W/m 90 W 72,0 Sand, schwach schluffig 3 50 W/m 150 W 81,0 Ton, stark schluffig 9 30 W/m 270 W 84,0 Sand, feucht 3 50 W/m 150 W 87,0 Schluff, tonig 3 30 W/m 90 W 90,0 Sand, kiesig 3 55 W/m 165 W 3490 W (38,8 W/m) Christian Bornitz Seite 13

14 B. Auslegung einer Anlage >30 kw z. B. Bürogebäude Übliche Vorgehensweise: 1. Standortbeurteilung (Genehmigungsfähigkeit, Geologie, Hydrogeologie) 2. Pilotbohrung 3. Thermal Response Test 4. Dimensionierungmittels Simulationssoftware (z.b. Earth Energy Designer EED oder EWS) 5. Dokumentation, Auswertung, Gutachten 6. Machbarkeits- und Wirtschaftlichkeitsstudie Christian Bornitz Seite 14

15 B. Auslegung einer Anlage >30 kw z. B. Bürogebäude Zur Dimensionierung einer Erdwärmesondenanlage>30kW sind folgende planungsrelevanten Parameter zwingend zu ermitteln: effektive Wärmeleitfähigkeitλ eff ungestörte Erdreichtemperatur C Bohrlochwiderstand R b Dafür steht der Thermal Response Test (TRT) zur Verfügung. Die Durchführung des Tests erfolgt an einer fertig gestellten Erdwärmesonde, die bis zur voraussichtlich erforderlichen Endtiefe eingebaut wurde Pilotbohrung. Christian Bornitz Seite 15

16 Thermal Response Test Mittels eines Heizgerätes wird Wärmeenergie über die Sonden in den Untergrund eingebracht und die Sondenvorlauf- sowie Sondenrücklauftemperaturen gemessen und aufgezeichnet. Aus der Steigung der logarithmischen Aufheizkurve kann anschließend die Wärmeleitfähigkeit sowie der thermische Bohrlochwiderstand abgeleitet werden. Auf diese Weise wird über einen definierten Zeitraum (i. a. R. ca. 72 Std.) der Betrieb der Erdwärmesonde simuliert. Die Wärmeleitfähigkeitdes umgebenden Gesteins stellt die wichtigste Einflussgröße zur Auslegung eines Erdwärmesondenfeldes dar. Darüber hinaus wird der sogenannte thermische Bohrlochwiderstand gemessen. Dieser gibt den Temperaturverlust beim Übergang von Wärme aus dem anstehenden Gestein auf das Wärmeträgerfluid (Sole) an. Christian Bornitz Seite 16

17 Bestimmung der ungestörten Untergrundtemperatur Die Ermittlung der ungestörten Erdreichtemperatur ist auch über Tiefentemperaturmessungen möglich. Hierbei wird ein Messfühler mit einem Seil langsam in die Sonde eingelassen. Alle 2 Sekunden wird die Temperatur und über den Druck die Sondentiefegemessen. Messung vor dem TRT Ermittlung der ungestörten Erdreichtemperatur Messungen nachtrt (nach Aufheizphase) Aufnahme des Abkühlungsverhaltens der Erdwärmesonde. Darüber sind Rückschlüsse über die Grundwasserverhältnisse Schichtwechsel (Wechselλ eff ) möglich. Christian Bornitz Seite 17

18 Bestimmung der ungestörten Untergrundtemperatur Der Knick in ca. 55 m Tiefe wird durch die Schluffschicht hervorgerufen, da hier keine Grundwasserströmung vorhanden ist, die die Wärme abtransportiert ( Wärmespeicher ). Ungestörte Temperatur: Restwärme durch Abbindeprozessdes Verpressmaterials! Christian Bornitz Seite 18

19 Dimensionierung mittels EED Das Simulationsprogramm EED dient vereinfacht ausgedrückt dazu, Temperaturänderungen im umgebenden Gestein durch den Betrieb einer Erdwärmesondenanlagevorauszusagen. Das Programm prüft, ob durch die gewählte Auslegung einer Erdwärmesondenanlage(Anzahl, Tiefe und Anordnung der Erdwärmesonden) die Gefahr einer zu starken Auskühlung des Untergrundes besteht, die zu einem ineffizienten Anlagenbetrieb führen kann. Unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen (Geologie, Haustechnik) wird mittels iterativen Suchprozesses die optimale Variante einer Erdwärmesondenanlageermittelt. Im Zuge dessen werden unterschiedliche Variationen von Sondenlängen und konfigurationen durchgerechnet. Christian Bornitz Seite 19

20 Projekt: Neubau Bürogebäude Heizleistung WP: 28,8 kw Vollaststunden: 2400 h/a 69,1 MWh/a Heizarbeit Kühlleistung WP: 37 kw(aktiv) Volllaststunden: 900 h/a 33,3 MWh/a Kühlarbeit Christian Bornitz Seite 20

21 Pilotbohrung: Abteufen der Bohrung bis 100 m Christian Bornitz Seite 21

22 Pilotbohrung: Doppel-U-ErdwärmesondeHDPE Rohr ø 32 x 2,9 mm mit werksverschweißtem Sondenkopf, ausgeliefert mit Prüfzeugnis Sondenbündel, Querschnitt Sondenkopf Prüfzeugnis Sondengewicht Christian Bornitz Seite 22

23 Pilotbohrung: Einbau der Erdwärmesonde Christian Bornitz Seite 23

24 Pilotbohrung: Ausbau der Verrohrung Christian Bornitz Seite 24

25 Pilotbohrung: Ringraumverpressung mit thermisch verbessertem Verpressmaterial Christian Bornitz Seite 25

26 Pilotbohrung: Dokumentation Lithologie: Ton/Sandstein Sondenlänge: 99 m Bohrlochdurchmesser: 156 mm Verfüllung: λ= 0,8 W/m K Christian Bornitz Seite 26

27 Thermal Response Test Durchführung: Versuchsdauer: 69,5 h Volumenstrom: 1 m 3 /h Wärmeleistung: 5,5 kw Christian Bornitz Seite 27

28 Thermal Response Test -Dokumentation Christian Bornitz Seite 28

29 Thermal Response Test Versuchsergebnisse: mittlere effektive Wärmeleitfähigkeit λ eff = 2,5 W/m K Thermischer Bohrlochwiderstand R b = 0,16 m K/W ungestörte Erdreichtemperatur: 11,6 C Christian Bornitz Seite 29

30 Auslegungsberechnung mittels EED Um die Wirkung der thermischen Regeneration des Untergrundes durch eine Gebäudekühlung aufzuzeigen, werden 2 Varianten dargestellt. Bestimmung der Anzahl & Tiefe der Erdwärmesonden -ohne Berücksichtigung einer Kühlung (Variante 1) und -mit Berücksichtigung einer aktiver Gebäudekühlung (Variante 2). Christian Bornitz Seite 30

31 Auslegungsberechnung mittels EED Variante 1 ohne Kühlung gfedcb gfedcb gfedcb gfedcb Min. bei Spitzenlast Max. bei Spitzenlast Min. bei Grundlast Max. bei Grundlast jährl. min-max-fluidtemperatur [ C] Jahr Temperaturentwicklung des Wärmeträgermittels vom 1. bis in das 50. Betriebsjahr der EWS-Anlage Christian Bornitz Seite 31

32 Auslegungsberechnung mittels EED Variante 1 ohne Kühlung Bei einem reinem Heizbetrieb zeigt sich eine stetige Abkühlung des Untergrundes. Größe der Erdwärmesondenanlage: 7 x 128 m (896 m Gesamtsondenlänge) Christian Bornitz Seite 32

33 Auslegungsberechnung mittels EED Variante 2 mit Kühlung jährl. min-max-fluidtemperatur [ C] gfedcb gfedcb gfedcb gfedcb Min. bei Spitzenlast Max. bei Spitzenlast Min. bei Grundlast Max. bei Grundlast Jahr Temperaturentwicklung des Wärmeträgermittels vom 1. bis in das 50. Betriebsjahr der EWS-Anlage Christian Bornitz Seite 33

34 Auslegungsberechnung mittels EED Variante 2 mit Kühlung Bei einer aktiven Gebäudekühlung kühlt sich aufgrund der thermischen Regeneration durch die Einspeisung von Wärme der Untergrund nicht ab. Dadurch verringert sich die erforderliche Bohrmeteranzahl. Größe der Erdwärmesondenanlage: 7 x 94 m (658 m Gesamtsondenlänge) Gegenüber Variante 1 Verringerung der Bohrkosten um ca ,- Christian Bornitz Seite 34

35 Horizontale Sondenanbindung Grabenerstellung Anbinden der Erdwärmesonden mit Elektro-Schweißmuffen Verlegen der Transitleitungen im Sandbett zum Verteiler oder Verteilerschacht Einbau des Schachtes in das Erdreich oder Setzen des Verteilers am Gebäude Druckprüfung der gesamten Anlage Befüllen und Spülen der gesamten Anlage mit Sole, Glykol-Wassergemisch, Frostschutz bis -15 Grad Celsius Christian Bornitz Seite 35

36 Verlegen der Sonden im Sandbett Setzen des Verteilerschachtes Erdsondenverteilerschacht Montage des Verteilers an Hauswand Orientierungshilfe für horizontale Sondenanbindung Kunststoffverteiler zur Montage an Gebäudeaußenwand Spülen von 2 Verteilern für 2 Wärmepumpen Christian Bornitz Seite 36

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 37

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