Pumpen Strebe GmbH & Co. KG

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1 Pumpen Strebe GmbH & Co. KG Greifswalder Strasse 11, Wusterhusen; Tel.: /36932, Fax: /36933 Geothermie Energieoptimierte Koaxialsonde aus Edelstahl für Wärmepumpen-Anlagen Oberflächennahe Geothermie Koaxialsonden aus Edelstahl mit im Innenraum montierter turbulenter Strömungseinrichtung sind ein innovativer Lösungsvorschlag, um aus dem ersten Wasserleiter Entzugsleistungen für Wärmepumpen bereitzustellen. Beschrieben wird unteranderem ein Anwendungsprojekt in Potsdam und auf der Insel Sylt, bei der diese Energietechnologie zum Einsatz kam. Hohe Energiekosten, erschwerte Lieferbedingungen von Rohstoffen, begrenzte Rohstoffresourcen die Belastung der Atmosphäre und einhergehende Klimaerwärmung zwingen zu neuen Denkansätzen bezüglich der Elektroenergie- und Heizungswärmeversorgung auf Basis regenerativer Energiequellen. Im Bereich der oberflächennahen Geothermie haben sich hierzu verschiedene Technologien am Mark etabliert. Technische Entwicklung Duplexsonden für oberflächennahe Geothermie abzuteufen, ist nicht immer unproblematisch. Welcher Bohrbetrieb ist schon glücklich, wenn er den ganzen Tag an einer Bohrung gearbeitet hat und wird beim Einbringen der Duplexsonde gebremst, weil die Erdsonde sich nicht in der geplanten Endteufe montieren lässt (z. B. weil sich die Erdwärmesonde an einem Kabelbinder, Abstandhalter oder anderem Hindernis verfangen hat). Auch die Verschleißkosten von Material, Maschine und Montagepersonal sind durch den Termin und Leistungsdruck für einen Bohrbetrieb nicht unerheblich. Das in diesem Beitrag vorgestellte Entwicklungsprojekt Projekt Neue Energietechnologie für oberflächennahe Energie wurde tatkräftig und

2 konstruktiv unterstützt von der Brunnenbauinnung Mecklenburg Vorpommern sowie der Firma Pumpen Strebe. Im Jahr 2005 wurde die Leistungsfähigkeit erster von Pumpen Strebe gefertigter Koaxialsonde aus Edelstahl in Feldversuchen getestet. Durch den Einsatz von Edelstahl als Wärmetauscherfläche im ersten Wasserleiter kam es zur Verringerung der Bohraktivitäten von rund 30 Prozent, bei gleicher Energiegewinnung. Seit der Markteinführung der Koaxialsonden aus Edelstahl wurden von Pumpen Strebe und Partnerfirmen von 2006 bis April kw Entzugsleistung installiert. Es ist bekannt, dass Metalle bessere Wärmeleiter darstellen als PVC Materialien. Im August 2006 wurde durch einen Geothermal-Response-Test durch die Firma HSW aus Rostock die erste Leistungsvermessung an einer Koaxialsonde aus Edelstahl nachgewiesen. Dieser Vorteil wurde ausgenutzt, um die gespeicherte Wärmeenergie aus dem ersten Wasserleiter der Sole/Wasser- Wärmepumpen mit der notwendigen regenerativen Energie zu versorgen. Koaxialsonden aus Metall reagieren sofort auf Temperaturveränderungen und können sich sehr schell auf die veränderten Umgebungstemperaturen einstellen. Diese positive Reaktion machen Wärmepumpen besonders wirtschaftlich. Allgemeines Die Wärmepumpe lebt von der gesamten Quellenleistung, dem Energiespeicherund kontaktierten Massevolumen je m³. Die Quellenleistung einer Erdsondeanlage wird entscheidend durch folgende Faktoren beeinflusst: Temperaturveränderungen, Wärmefluss pro Meter Rohrlänge, Wärmeleitfähigkeit, Entfernung vom Rohrmittelpunkt, laminare oder turbulente Strömung, Zeit, Temperaturleitfähigkeit sowie die Viskosität des Wärmeträgermittels. Sondenmaterial Betrachtet man die spezifische Wärmleitfähigkeit der Bodenschichten und die thermische Leitfähigkeit eines PE HD 100 -Rohres, hat das Material Polyethylen Isolator-Eigenschaften: Dichte: 0,958 g/cm3 Längenausdehnungskoeffizient: 0,20 mm/m C Thermische Leitfähigkeit: 0,38 W/m C Oberflächenwiderstand: > 1014 Ohm

3 Um diesen Umstand auszugleichen, ist es erforderlich, in einen Bohrlochringraum mehrere Rohre einzubauen, um ein Maximum an Energie aus dem Energiemassevolumen zeitversetzt zu gewinnen. Bei diesem Beispiel kann die Duplexsonde mit einer thermischen Leitfähigkeit von 1,52 W/(m x K) die tatsächliche Energiemasse, also die effektive Wärmeleitfähigkeit, im Grundwasser z. B. 3,5 W/(m x K) nicht aufnehmen. Um diese Energie im Grundwasserleiter mit effektiver Wärmleitfähigkeit 3,5W/(m x K) aufzunehmen, müssten bei diesem Beispiel zwei Duplexsonden in einem Bohrlochringraum von ca. 280 mm eingebaut werden. Das wäre bohrtechnisch zwar möglich, aber durch alle Begleitumstände technisch nicht zielführend. Durchgesetzt hat sich am Markt der vertikale Verbau einer Doppel-U- Sonde (Duplexsystem) mit einem Bohrdurchmesser von ca mm. Alternativen Alternativ kommen zur Gewinnung von oberflächennahen Energien aus dem ersten Wasserleiter ferritische bzw. verzinkte Metallsonden, Edelstahlrohrkollektoren, Koaxialsonden aus Edelstahl, Energiepfähle aus PE-Rohren mit Betonmantel, Spiralkollektoren (z. B. Helix-Sonde aus PE-XA) zum Einsatz. So ist Edelstahl (in der Güte V4A, z. B ) nicht nur korrosionsbeständig (vgl. Informationsstelle Edelstahl, Rostfrei Merkblatt 833), sondern auch ein guter Wärmeleiter. Rohrkollektoren aus Edelstahl, oder Edelstahlkoaxialsonden montiert im ersten Grundwasserleiter, benötigen nur geringe Einbautiefen. Die effektive Leistungsfähigkeit von Metallsonden indes nur erreichen, wenn er im Metallbereich mit Filtersand/Quarzsand umschüttet wird. Durch diesen Verbau kann die Umgebungsbzw. Wassertemperatur direkt das Fluid-Wärmeträgermittel in den Metallsonden erreichen und wird nicht durch Dämmermaterialen gebremst. Oberhalb der Metallsonden ist die Verfüllung mit Dämmermaterialen aus wasserwirtschaftlicher Sicht von besonderer Bedeutung, da sie für die Abdichtung des Bohrloches und damit vor dem Eintrag von Schadstoffen von oben schützt. Die Bohrung ist, wie im Brunnenbau, gemäß DIN 18302: durchzuführen. Die Genehmigung obliegt der Prüfung der zuständigen Ämter.

4 Entwicklungsziel der neuen Energietechnologie Die Sole/Wasser-Wärmepumpe sollte mit einer Erdsonde bzw. einem Kollektor arbeiten, welche(r) folgende Kriterien erfüllt: Aufbau von Solarpendelspeichern, um zeitversetzt mit einem hohen Jahresarbeitszahl mit Hilfe der Wärmepumpe Heizungswärme zu produzieren Große Aufnahmefähigkeit von Gebäudekühllasten Einsatz von verrohrten Wasser-Wärmepumpenanlagen, die eine hohe Arbeitszahl der Wärmepumpe größer 5,0 garantiert Innovativer Ansatz Die entwickelte Koaxialsonde ist aus Edelstahl V4A und garantiert eine hohe Entzugsleistung. Entzugsleistungen größer 100W/m im ersten Grundwasserleiter sind möglich. Im oberen Deckel der Koaxialsonde aus Edelstahl befindet sich ein Vor- und einen Rücklauf. Eine Edelstahlspirale ist so an dem Innenrohr aus PE angeordnet, dass sich automatisch eine turbulente Strömung zwischen Spirale und Innenrohrwand des Edelstahlrohrkollektors einstellt. Ein definierter Spalt zwischen der Edelstahlspirale und der Innenwand des Mantelrohres erzeugt kleine Wirbel. Durch die Rohr-in-Rohrtechnik (Koaxial) mit Querschnittsverengungen ( Venturi) werden unterschiedliche Volumenströmungen erzeugt. Die erzeugten Synergieeffekte sorgen für eine hohe spezifische Entzugsleistung und somit für einer Belebung bzw. Verstärkung der Nutzung von oberflächennaher Geothermie im ersten Wasserleiter. Dabei fungiert der erste Wasserleiter als ein Pendelspeicher, in dem sich kältetechnische Anlagen im Winter für Wärmepumpentechniken sehr schnell regenerieren können. Die Koaxialsonde aus Edelstahl (V4A ) hat eine Transportlänge von 6,00 Metern. Der Sondekopf wird werkseitig mit zwei PE 25 HD (Rücklauf von der Wärmepumpe) und einem PE 25 HD - (Vorlauf zur Wärmepumpe) mit einer Druckprüfung von 10 bar geprüft. Der Durchmesser der Koaxialsonde aus Edelstahl beträgt DN 100 DN 50.

5 Montage und Einbauberechnung im Beispiel Ziel ist der Bau einer geothermischen Anlage zum Betreiben eine Sole/Wasser- Wärmepumpe mit einer reinen Heizleistung von 6,00 kw bei einer Jahresarbeitszahl größer 4,6. Der erste Wasserleiter beginnt bei einer Bohrtiefe von 3 m. Ab einer Bohrtiefe von 3 m wird ein erster Wasserleiter angebohrt. Der Stauer beginnt bei 20 m Die Bohrung wird bis zu einer Tiefe von 20 m durchgeführt. Der Einbau - Bausatz der Koaxialsonde aus Edelstahl wird vorbereitet. Bausatz für eine Bohrung: 1 Stück Ausbaurohr 6 m DN 80 lang aus V4A An einem Ende ist eine Blindkappe DN 80 und am anderem Ende ist der Rohrverbinder mit einem (Mutterstück). 2 Stück Ausbaurohre 6 m DN 80 lang aus V4A mit freien Rohrende an gewalzten Vater - und Mutterstück (Verbinder). 3 Stück PE 32 Rohr 5,5 m lang mit vormontierter hydraulischer Schraube. 3 Stück PE 32 Pressverbinder. 3 Stück Erdschrumpfmuffe DN 80 1 Stück Sondenkopf DN 80 mit an gewalzten Vaterstück (Rohrverbinder). Am Sondenkopf sind ca. drei Meter PE 25 mit Vor.- und Rücklauf angeschweißt. Arbeitsschritte/ Montage: Nachdem die Bohrung hergestellt wurde, kann die Montage der Koaxialsonde aus Edelstahl beginnen. Die Montage der Koaxialsonde aus Edelstahl ist die gleiche Technologie wie im Brunnenbau/ Pegelbrunnen bekannt ist. Das erste Ausbaurohr aus Edelstahl 6 m lang mit Blindkappe wird in die Bohrung eingeführt und am Bohrgerät gesichert. Das zweite Ausbaurohr DN 80 wird mit Hilfe der Rohrverbinder O Ring und PVC Stift gekuppelt. Über den Rohrverbinder wird die erste Schrumpfmuffe DN 80 montiert. Die Erdschrumpfmuffe ist eine Rohrspaltsicherung. Der zweite Rohrstrang ( 12 m ) wird in das Bohrloch abgesengt. Das dritte Ausbaurohr 6 m lang DN 80 wird analog wie das zweite montiert. Der hydraulische Einbau( Strömungsspirale auf dem Trägerrohr aus PE 32 ) wird jetzt montiert. Das PE 32 Rohr (drei Stück mit Strömungsspirale - Einzellänge 5,5 m)werden mit Hilfe einer Schweiß oder Pressmuffe fest mit einander verbunden. Schnittbild:

6 Das letzte Rohrende der hydraulischen Strecke PE 32 ca. 200 mm lang wird mit dem herausragenden PE 32 Rohr des Sondenkopfes ebenfalls fest aneinander gefügt. Es folgt das Ankuppeln/Verbinden der beiden Rohrenden aus Edelstahl mit dem Spezialverbinder Vater zu Mutterstück. Auch diese Rohrverbindung wird mit einer Erdschrumpfmuffe ( Spaltsicherung) montiert. Der Montage des Sondenkopfes, mit dem verlängerten Vor. - und Rücklaufleitung PE 25 ca. drei Meter lang ist der Abschluss der Montagetätigkeiten der Koaxialsonde aus Edelstahl. Die Koaxialsonde wird jetzt auf die Endteufe der Bohrung - 20 m abgesetzt. Versorgung der Bohrung nach DIN 18302: (Brunnenbau) Im Koaxialsonden aus Edelstahl wird ein Filterkies geschüttet. Von 2,00 m bis 0,0 m wird die Bohrung versiegelt ( z.b.tonpellets) Die zu erwartende spezifische nachhaltige Entzugsleistung beträgt ca.100 W/m der Bohrung: 18,00 m Edelstahlkollektor, ergeben bei einer Entzugsleitung im ersten Wasserleiter von 100W/(m x K) eine Gesamtentzugsleistung von 1 800W 2,00 m PE Rohre, 2 x PE 25 mm, ergeben bei einer Entzugsleistung 15W/(m x K) eine Gesamtentzugsleistung von W Bei 3 Bohrungen ergäbe sich eine spezifische Entzugsleistung von ca.5,5kw/std. Eine Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 6 kw würde hier mit einer Jahresarbeitszahl größer 4,6 COP arbeiten. Bei 1800 Betriebsstunden (reiner Heizbetrieb) im Jahr ergäbe sich ein Durchschnittswert der Sole Vorlauftemperatur von + 3 C. Durch den Einsatz von Hohlbohrschnecken mit einem Innendurchmesser von 112 mm und bei Bohrtiefen 20 m wird ein hoher Qualitätsstandard erreicht; zugleich kann sehr wirtschaftlich gearbeitet werden. Diese Technologie erlaubt es, auch bei Sanierungsfällen (z. B. Altbausanierung der Heizungstechnik) mit relativ leichten Bohrgeräten zu arbeiten. Dadurch entstehen für die Bauherren weniger Nachfolgekosten durch etwaige Flurschäden, vor allem aber ein neuer Markt im Bereich der Sanierung alter Heizungsanlagen. Auch bei Frosttemperaturen kann auf der Baustelle mit der Hohlbohrschnecke gearbeitet werden, was einem Terminstau für Bohrtermine im Frühjahr vorbeugt.