Dokumentation von Schadensfällen bei Erdwärmesonden

EnergieSchweiz November 2006 Schlussbericht Dokumentation von Schadensfällen bei Erdwärmesonden ausgearbeitet durch Simone Bassetti, Ernst Rohner, Sarah Signorelli Geowatt AG Dohlenweg 28 8050 Zürich Bernard Matthey Ingénieurs-Conseils SA La Grande-Fin 19 2037 Montezillon

2 Zusammenfassung Erdwärmesondenanlagen sind ein etabliertes System zum Heizen und Kühlen von Gebäuden. Solche Anlagen benötigen eine fachgerechte Dimensionierung und Bauausführung. Eine nicht sachgerechte Vorgehensweise führt in aller Regel zu einem Schadensfall. Die in diesem Bericht zusammengestellten Schadensfälle haben die folgenden Ursachen: 1. Anschluss zusätzlicher Bauten (Erhöhung des Wärmebedarfs) 2. Fehlerhafte Bestimmung des Wärmebedarfs 3. Fehlerhafte thermische Werte des Untergrundes 4. Unterdimensionierung der EWS 5. Vernachlässigung der gegenseitigen Beeinflussung 6. Schlechte oder fehlende Hinterfüllung der EWS 7. Fehlerhafte Regelung der Wärmepumpe 8. Fehlerhafte Hydraulik 9. Leckagen Insbesondere bei zu hohem Wärmeentzug aus der Erdwärmesonde kommt es in der Regel zu Gefriererscheinungen um die Erdwärmesonde und die Leistung der Anlage verschlechtert sich zusehends bis im Extremfall zum vollständigen Versagen. In diesem Projekt werden Beispiele für häufige Schadensursachen und die dabei nötigen Korrekturmassnahmen erläutert. Für einige Fälle wird zudem die Ursache durch den Vergleich mit Simulationsrechungen illustriert. Abschliessend werden Hinweise zur fachgerechten Planung und Bauausführung von Erdwärmesondenanlagen gegeben. Résumé Les sondes géothermiques sont des systèmes de chauffage et de climatisation reconnus. Leur dimensionnement et construction nécessitent le respect de règles précises. Une réalisation non appropriée mène la plupart du temps à des dégâts. Dans les pages qui suivent, différentes causes de dégâts sont mises en lumière : 1. Connexion d'utilisateurs supplémentaires (augmentant la demande en chaleur) 2. Mauvaise détermination de la demande en chaleur du bâtiment 3. Mauvaises valeurs de propriétés du sous-sol 4. Sous-dimensionnement de la sonde 5. Négligence des interactions 6. Mauvaise cimentation du forage 7. Mauvais contrôle de la pompe à chaleur 8. Mauvaise hydraulique 9. Fuite Lorsque l'extraction de chaleur est trop importante, un gel des terrains autour de la sonde est observé et les performances de la pompe en sont diminuées; cette situation peut mener dans des cas extrêmes à un effondrement complet du système.

3 Dans ce projet, différents exemples de dégâts fréquents et les conditions nécessaires sont présentées. Dans certains cas, la cause des dégâts est illustrée par une comparaison avec des résultats de simulation. Enfin, quelques recommandations pour la planification et le dimensionnement de tels systèmes sont exposées. Summary Borehole heat exchanger systems are well known systems for heating and cooling of buildings. These systems need sophisticated dimensioning and construction. A non-appropriate realisation usually leads to damage. In the following the different causes of damage highlighted in this report are given: 1. Connection of additional users (increasing of the heat demand) 2. Incorrect determination of the heat demand 3. Incorrect thermal values for the subsurface 4. Underdesign of the BHE 5. Neglect of effects of interaction 6. Incorrect or missing grouting of the BHE 7. Incorrect control of the heat pump 8. Incorrect hydraulics 9. Leakage Especially when the heat extraction from the BHE is too high, freezing usually occurs around the borehole heat exchanger and the performance of the system is impaired and at extreme cases a full collapse can happen. In this project examples of frequently damage events and necessary corrections are presented. For some cases the reason for the damage is additionally illustrated by a comparison with simulation results. Finally tips for professional planning and construction of borehole heat exchanger systems are given.

4 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung... 2 Résumé... 2 Summary... 3 1. Einführung und Projektziele... 5 2. Vorgehen... 6 2.1 Allgemein... 6 2.2 Simulation des Betriebsverhalten von EWS-Anlagen... 7 3. Analysierte Schadensfälle... 8 3.1 Schadensfall 1: Anschluss zusätzlicher Bauten... 8 3.2 Schadensfall 2: Falsche Auslegung des Heizbedarfs... 13 3.3 Schadensfall 3: Unterdimensionierte EWS... 18 3.4 Schadensfall 4: Vernachlässigung der gegenseitigen Beeinflussung von EWS... 22 3.5 Schadensfall 5: Schlechte oder fehlende EWS-Hinterfüllung... 27 3.6 Schadensfall 6: Fehlerhafte Regelung der WP... 30 3.7 Schadensfall 7: Fehlerhafte Hydraulik... 33 3.8 Schadensfall 8: Leckage... 37 3.9 Cas de dégât 9: effondrement des terrains au niveau du forage... 40 3.10 Cas de dégât 10: sous-dimensionnement des sondes... 44 3.11 Cas de dégât 11: sous-dimensionnement des sondes... 49 3.12 Cas de dégât 12: Mauvaise evaluation des terrains... 52 3.13 Cas de dégât 13: demande thermique du bâtiment sous-évaluée... 56 4. Schlussfolgerungen und Hinweise... 61 4.1 Planung... 61 4.2 Installation... 63 4.3 Betrieb... 65 5. Literaturverzeichnis... 65

5 1. Einführung und Projektziele Erdwärmesondenanlagen sind in der Schweiz weitverbreitete Systeme zum Heizen und Kühlen von Gebäuden. Eine Erdwärmesonden-Anlage besteht aus drei verschiedenen, voneinander getrennten Kreisläufen: Wärmequellenkreislauf Erdwärmesonde (EWS) Wärmepumpenkreislauf Wärmepumpe (WP) Wärmenutzungskreislauf Heizkreislauf (mit Vorteil Niedertemperaturheizung) Der Wärmepumpen- und der Heizkreislauf sind gut durch Heizungsingenieure abgedeckt. Die Abläufe des Wärmequellenkreislaufs im Untergrund sind durch komplexe Wärmetransportprozesse dominiert. So ist die Temperatur des Wärmeträgermediums im Wärmequellenkreislauf beim Eintritt in den Wärmepumpenkreislauf von verschiedenen Faktoren abhängig: Erdwärmesonde (Gesamtlänge, Fluidtemperatur beim Eintritt in die EWS, Durchflussgeschwindigkeit, Durchflussdauer, etc.) Wärmeübergang zwischen Erdreich und Sondenrohren (Hinterfüllung) Abstand zur nächsten Sonde Untergrund (Geologie, ursprüngliches Temperaturfeld, eventuell vorhandene Grundwasserströmung, etc.) Maximale Kälteleistung der Wärmepumpe und jährlicher Energieentzug (Bedarfsprofil) Daraus wird klar, dass die Fördertemperatur, von Ort zu Ort aber auch am selben Ort von Anwendung zu Anwendung ändert und es keine genormte EWS gibt. Entscheidend für den erfolgreichen Einsatz ist die fachgerechte Auslegung der EWS. Oft werden EWS jedoch anhand von Faustregeln ("50 W pro Laufmeter ) dimensioniert, die aber den spezifischen Eigenschaften des Objektes und des Standortes nicht Rechnung tragen können. Ein nicht sachgerechtes Vorgehen kann zu Schadensfällen führen. Schadensfälle können durch verschiedene Faktoren verursacht werden, wie unterdimensionierte Anlagen (zu kurze EWS), zu geringe Abstände zwischen den EWS, schlecht hinterfüllte EWS oder zu lange Laufzeit der Wärmepumpe (schlechte Steuerung der Wärmepumpen- Erdwärmesonde-Anlage und/oder schlechte Kopplung mit der Wärmedistributionsanlage). Unter diesen Umständen wird die EWS zu stark oder zu lange belastet, was dann zu tiefen EWS- Temperaturen führen kann. Dadurch wird auch die Leistung der EWS reduziert, was im Extremfall zum Versagen der ganzen Anlage führen kann. Bei mittleren Fluidtemperaturen (Mittelwert zwischen Vor- und Rücklauftemperatur) unterhalb von ca. 5 C kann es zudem zu signifikanter Eisbildung an den Rohraussenwänden und im Erdreich kommen. Durch die Eisbildung wird das Erdreich um die EWS verdrängt. Dies ist meist an der Erdoberfläche durch Hebungen im Winter sichtbar. Nach dem Auftauen kann das Erdreich durch einen lokalen Grundbruch plötzlich bis zur Oberfläche durchbrechen und es bilden sich Senken im Sommer. Tritt ein Schadensfall auf, kann dieser je nachdem durch geeignete Massnahmen behoben werden oder es müssen zusätzlich Sonden versetzt werden. Um die notwendigen Schritte einleiten zu können, müssen die Ursachen zuerst genau analysiert werden. Die Anlage kann dazu ausgemes-

6 sen und die Schadenursachen durch Nachrechnungen der Betriebstemperaturen lokalisiert werden. Ziel dieses Projektes ist es bekannte Schadensfälle und deren Ursachen zu dokumentieren. Einige ausgewählte Fälle werden mit Auslegungsprogrammen nachsimuliert, um den Schadensgrund zu illustrieren. Planer und Installateure von Erdwärmesondenanlagen sollen mit dieser Dokumentation auf die Notwendigkeit einer korrekten Dimensionierung aufmerksam gemacht werden. Die abschliessenden Empfehlungen sollen ihnen helfen, Schadensfälle zu vermeiden. 2. Vorgehen 2.1 Allgemein Das vorliegende Projekt wurde bei der GEOWATT AG in Zusammenarbeit mit der Bernard Matthey Ingénieurs-Conseils SA ausgearbeitet und erfolgte in folgenden Bearbeitungsschritten: Suche von Schadensfällen und Zusammenstellen der Anlagedaten anhand von Checklisten Beschreibung der Schadensfälle Analyse der Ursachen, die zum Schaden führten (z.b. geologisch-geotechnische Gründe, falsche Dimensionierung und/oder Betriebsverhalten, etc.) Massnahmenbeschreibung zur Schadensbehebung Nachrechnung von ausgewählten Fällen, um die Ursachen der Schadensfälle und die möglichen Massnahmen zu illustrieren Hinweise zur Vermeidung von Schadensfälle Die Fälle wurde so ausgewählt, dass die häufigsten Schadensursachen dokumentiert sind. Es sind dies jeweils Fälle, für die eine der beiden obgenannten Firmen als Gutachter tätig war. Die Vorgehensweise zur Eruierung der jeweiligen Schadensursache wurde in den Gutnachten aufgrund des vorhandenen zeitlichen und finanziellen Rahmens und der Zielsetzung definiert und kann deshalb von Fall zu Fall variieren. Alle dokumentierten Fälle sind im Interesse des Datenschutzes anonymisiert. Auch wird die Verantwortlichkeit bewusst nicht angesprochen. An dieser Stelle sei aber auf die sich in Bearbeitung befindliche SIA- Norm 384/6 hingewiesen. Insgesamt wurden 13 Schadensfälle dokumentiert (8 erarbeitet durch die GEOWATT AG, und 5 erarbeitet durch die Bernard Matthey Ingénieurs-Conseils SA). Um die Anlagedaten aus den Gutachten systematisch erfassen zu können, wurde als erstes eine Checkliste erstellt. Damit wurden die technischen Daten der Anlage und die Beschreibung des jeweiligen Schadensfalles pro Objekt einheitlich zusammengestellt. Nicht für jeden Fall waren die Anlagedaten vollständig verfügbar, eine Analyse der Schadensursache war aber trotzdem in allen präsentierten Fällen möglich. Die Checkliste besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen. Im ersten Teil werden sämtliche, verfügbaren technischen Daten der Anlage zusammengestellt und in folgende Kategorien unterteilt: A) Anlagebeschreibung Erdwärmesonden B) Angaben zu Heizsystem C) Angaben zu Wärmepumpe D) Angaben zu Warmwasserbereitung E) Angaben zu Aussenschwimmbad (wenn vorhanden) F) Angaben zu Kühlsystem (wenn vorhanden)

7 Im zweiten Teil der Checkliste wird der Schadensfall beschrieben (Beschreibung, Photos, Ursachen, Massnahmen). 2.2 Simulation des Betriebsverhalten von EWS-Anlagen Einige der nachfolgend beschriebenen Schadensfälle wurden basierend auf den erfassten Anlagedaten zur genaueren Analyse nachsimuliert. Basierend darauf können Empfehlungen für eine gegebenenfalls nötige Sanierung gemacht werden. Dabei wurde wie folgende beschrieben vorgegangen. Die Temperatur des Wärmeträgermediums in der EWS ist eine Funktion eines komplexen Zusammenspiels von verschiedenen Faktoren, wie thermische Eigenschaften und Temperatur des Untergrundes, Anordnung und Geometrie der EWS und Betrieb der Wärmepumpe (maximale Kälteleistung und jährliches Bedarfsprofil). Das Zusammenwirken dieser Einzelparameter lässt sich durch eine Simulation nachrechnen. Dadurch wird der Schadensgrund ersichtlich. Für die Berechnungen wird hier die Auslegungssoftware EED (Hellström und Sanner, 2000) verwendet. Die Berechungen basieren auf einer stundenweise Simulation der Wärmepumpe- und Gebäudedaten und einer iterativen Simulation des Erdreiches pro Monat. Der Simulationszeitraum erstreckt sich je nach Bedarf über 3 bis hin zu 50 Jahren. Die Anlage werden jeweils so ausgelegt, dass die Richtlinien der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz (FWS) (ehemals Merkblatt T1 der Arbeitsgruppe Wärmepumpe) und der VDI eingehalten werden und eine nachhaltige Bewirtschaftung auch noch nach mehr als 25 Betriebsjahren garantiert werden kann. Diese Richtlinien können wie folgt zusammengefasst werden: FWS: die durchschnittliche EWS-Temperatur (d.h.: Mittelwert zwischen Vorlauftemperatur VLT und Rucklauftemperatur RLT der Erdwärmesonde) darf nach 25 Betriebsjahren nicht unter -1.5 C fallen (d.h VLT= 0 C und RLT= -3 C bei einer Temperaturspreizung von 3 K) VDI: die durchschnittliche EWS-Temperatur darf nach 25 Betriebsjahren nicht unter -3.5 C fallen (d.h VLT= -2 C, RLT= -5 C bei einer Temperaturspreizung von 3 K) In der Schweiz wird Übehrlicherweise die FWS-Richtlinie verwendet. Damit wird gewährleistet, dass die Lebensdauer der EWS grösser als die übliche Lebensdauer eines Gebäudes ist.

8 3. Analysierte Schadensfälle 3.1 Schadensfall 1: Anschluss zusätzlicher Bauten 3.1.1 Technische Daten Gebäudeart: EFH, Heizung mit Warmwasseraufbereitung und Schwimmbad (Neubau) Anlagebeschrieb Erdwärmesonde Bohrprofil Anzahl Erdwärmesonden: 4 Tiefe: 60 m Bohrlochdurchmesser: mm Doppel-U 32x3.0 Doppel-U 40x3.7 Koaxial : mm andere: Injektion Bentonit/Zement Opalit/Zement Bentonit/Zement/Sand Anordnung der EWS: Plan Abstand: 8 m Linie Rechteck L-Form andere: Verbindung: direkt Y-Formstücke andere: : 32 mm Länge: Total 96 m Verrohrungsart: einzeln auf Verteiler geführt Minimale Erdwärmesondentemperaturen (Eintritt: C Austritt: C Aufzeichnungen Geologisches Profil

9 Plan EWS-Anordnung Heizsystem Inbetriebsetzungsdatum: 1991 Bauaustrocknung mit WP Bodenheizung Heizkörperheizung kombiniert Pufferspeicher Mischgruppen Max. Vorlauftemp.: (Eintritt: 40 C Austritt: C Schema liegt bei Aufzeichnungen im Anhang monovalente Erzeugung mit WP Sperrzeiten: Zusatzheizung ja nein alternativ parallel Umschaltpunkt: nach Bedarf Art: Leistung Ergänzungsheizung: 9 kw 1) 1) Wurde eingebaut, damit die Heizung bis zur Sanierung funktionstüchtig lief

10 Energiebedarf Wärmeleistungsbedarf: 16 kw (gem. SIA 384/2) Heizenergiebedarf: 46'340 kwh/a (gem. Simulationsrechnungen aufgrund der Angaben) Beheizte Bodenfläche: m² Fensterflächen: m² spez. Leistung: W/m Lüftungsanlage WRG Leistung : kw Wirkungsgrad: % Wärmepumpe: Fabrikat, Typ: Kibernetik K18S einstufige WP Mehrstufige WP Stufen: 2 Betriebsstunden total: Aufzeichnungen im Anhang (Stunden, Stromverbrauch,...) Solepumpe: Fabrikat, Typ, Stufe: TOP S 30/10, Stufe 1 einfach Doppelpumpe leistungsangepasst Frequenzreguliert Soleflüssigkeit: Ethylenglykol 20% Expansionsgefäss: Grösse, Vordruck: 18 Liter, 1 bar Position Saugseite der Solepumpe Druckseite Verrohrung Solekreis: Typ: PE 100 Durchmesser: di= 51.4 mm Länge: 4.4 m Warmwasserbereitung separat mit Wärmepumpe Ergänzungsheizung Max. Vorlauftemp. mit WP: 55 C Leistung Ergänzungsheizung: kw Anzahl Personen oder WW-Bedarf bei BW.:400 l/tag 55 C Aussenschwimmbad (wird separat neu über Luft-WP beheizt) Oberfläche: 25 m² (Breite: m Länge: m) Volumen: 30 m³ (mittlere Tiefe: 1.2 m) Abdeckung wird immer verwendet Abdeckung wird ab und zu verwendet Lage des Schwimmbades: freier Horizont ohne Beschattung Teilbeschattet Schattenlage ohne Windschutz windgeschützte Lage Solltemperatur des Schwimmbads während der Saison: 26 C Schwimmbadsaison Anfang (Tag. Monat): 1. Mai Ende: 30. September Schadenbeschreibung: verringerter Durchfluss Fotos Beschreibung ungenügende Heizleistung Fotos Beschreibung eingefrorener Verteiler Fotos Beschreibung

11 3.1.2 Beschreibung Die Anlage wurde für die Beheizung eines Einfamilienhauses installiert. Vier EWS à 60 m Tiefe wurden dazu abgeteuft. Im Laufe der Jahre würde das Objekt mit einem Aussenschwimmbad und einem Anbau ergänzt. Beides wurde an die bestehende EWS-Wärmepumpenanlage angeschlossen. Da die installierte Wärmepumpe dazu zu klein bemessen war, führte dies zu erhöhten Betriebsstunden und einer Überlastung der EWS. Um die benötigte Heizleistung weiter erbringen zu können, wurde die Wärmepumpe durch eine Wärmepumpe mit grösserer Heizleistung ersetzt. Mit der Heizleistung stiegt die dem Untergrund entzogene geothermische Leistung ebenfalls; d.h. die EWS wurden noch stärker überlastet. Der Untergrund kühlte sich immer mehr aus und die Temperatur des Wärmeträgermediums in der Sonde nahm kontinuierlich ab. Wie Abbildung 3-1 zeigt, waren sechs der acht Teil-Kreisläufe beim Verteiler bei Beginn der Heizperiode vor der Sanierung komplett eingefroren. Zwei Rohre waren ohne Eisbildung. Wahrscheinlich waren diese durch die Eisbildung bereits abgeklemmt. Abbildung 3-1: Eingefrorener Erdwärmesondenverteiler 3.1.3 Analyse der Schadensursachen Dieser Schadensfall kann eindeutig auf die starke Überlastung der EWS zurückgeführt werden, die durch den Anschluss von Zusatzbauten und den Ersatz der Wärmepumpe durch eine leistungsfähigere erfolgte. So wurde wesentlich mehr Energie entzogen, als bei der ursprünglichen Dimensionierung geplant war. Die EWS-Anlage war dadurch stark unterdimensioniert und konnte die Gebäudebeheizung im Winter und eine Wassertemperatur von 26 C im Schwimmbad während der Sommersaison nicht gewährleisten. Die Beheizung des Schwimmbades durch die EWS verlängerte die Heizsaison und verkürzte die Regenerationszeit des Untergrundes im Sommer. Die Schwimmbaderwärmung verursachte vor allem zwei Belastungsspitze am Anfang und Ende der Sommersaison, wenn die natürliche Erwärmung des Schwimmbades durch die Sonne eine untergeordnete Rolle spielt. 3.1.4 Simulation und Massnahmen Wie Abbildung 3-1 zeigt, scheint mindestens einer der EWS-Kreisläufe durch die Eisbildung abgeklemmt worden zu sein. In solchen Fällen wird empfohlen, den Durchfluss der EWS zu kontrollieren. Falls nur ein einzelner Kreis einer Sonde ausgefallen ist, ergibt dies nur eine geringe Leis-

12 tungseinbusse (Simplex EWS 70-85 % der Leistung einer Duplex-Sonde). Ist aber eine EWS komplett geschlossen, muss sie durch eine neue ersetzt werden. Als erste Massnahme wurde die Beheizung des Schwimmbades von der EWS-Anlage abgetrennt. Das Schwimmbad wird neu über eine separate Luftwärmepumpe beheizt. Soll aber der restliche Betrieb mit der grösseren Wärmepumpe langfristig aufrecht erhalten werden, sind zusätzliche EWS unumgänglich. Aufgrund der Platzverhältnisse und der hydrogeologischen Bedingungen (Grundwasserleiter unterhalb ca. 60 m) waren aber im vorliegenden Fall maximal 4 zusätzliche EWS à 60 m im Abstand von 5 m möglich. Durch die nachfolgende Simulationsrechnung (Beschreibung in Kapitel 2.2) wurde überprüft, ob mit 4 zusätzlichen Sonden ein Vereisen der EWS verhindert und einen störungsfreien und kostengünstigen Betrieb gewährleistet werden kann. Zwei Fälle mit und ohne Beheizung des Schwimmbades durch die geothermische WP-Anlage wurden simuliert. Abbildung 3-2 stellt den simulierten Temperaturverlauf nach 25 Betriebsjahren für die Fälle "Heizbetrieb mit Schwimmbaderwärmung" und "Heizbetrieb ohne Schwimmbaderwärmung" dar. Die Temperaturkurven entsprechen den gemittelten Minimaltemperaturen aus Vor- und Rücklauftemperatur. Für den Fall mit Schwimmbaderwärmung unterschreitet die minimale Temperatur den gemäss FWS-Richtlinie vorgeschriebenen Wert von -1.5 C (+0/-3 C). Die minimale Temperatur liegt nach 25 Betriebsjahren aber knapp nicht unter -2.5 C und würde somit die VDI-Norm erfüllen. Neben dem üblichen Belastungsspitze (Dezember/Januar), zeigt sich die Belastung der EWS bei einer Schwimmbaderwärmung durch eine Temperaturabnahme im Mai und September. Da das Schwimmbad über eine separate Luft-Wasserwärmepumpe erwärmt wird, wurde zusätzlich eine Simulationsrechnung für den Fall "Heizbetrieb ohne Schwimmbaderwärmung" durchgeführt. Abbildung 3-2 zeigt, dass in diesem Fall im Winter leicht höhere EWS-Temperaturen resultieren. Die Betriebstemperaturen erfüllen zwar im 25. Betriebsjahr nicht mehr über das ganze Jahr die FWS-Richtlinie, sie sind aber deutlich höher als der Grenzwert bei dem es zu Eisbildung (~- 5 C) kommt. Es darf somit davon ausgegangen werden, dass die Anlage bei Versetzen von weiteren 4 EWS trotzdem gut funktioniert. 5 4 Mit Schwimmbaderwärmung Ohne Schwimmbaderwärmung 3 2 Temperatur [ C] 1 0-1 -2-3 -4-5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Monate Abbildung 3-2: Überarbeitete Auslegung der Anlage: Verlauf der minimalen Erdwärmesondentemperatur im 25-ten Betriebsjahr als Mittelwert zwischen Vor- und Rücklauftemperatur für den Fall mit Heizbetrieb und Schwimmbaderwärmung (blau) und für den Fall ohne Schwimmbaderwärmung (rot), bei jeweils 8 EWS anstelle der ursprünglichen 4 installierten EWS.

13 3.2 Schadensfall 2: Falsche Auslegung des Heizbedarfs 3.2.1 Technische Daten Gebäudeart: EFH, Heizung mit Warmwasseraufbereitung (Neubau) Anlagebeschrieb Erdwärmesonde Bohrprofil Anzahl Erdwärmesonden: 2 Tiefe: 80 m Bohrlochdurchmesser: mm Doppel-U 32x3.0 Doppel-U 40x3.7 Koaxial : mm andere: Injektion Bentonit/Zement Opalit/Zement Bentonit/Zement/Sand andere: Anordnung der EWS: Plan Abstand: Skizze Rückseite Linie Rechteck L-Form andere: Anschluss: direkt Y-Formstücke andere: : Länge: Verrohrungsart (siehe Skizze Rückseite) Minimale EWS-Temperaturen (Eintritt: -5 C Austritt: -2 C, gemessen von Hausbesitzer) Aufzeichnungen Heizsystem Inbetriebsetzungsdatum: Frühjahr 2000 Bauaustrocknung mit WP Bodenheizung Heizkörperheizung kombiniert Pufferspeicher Mischgruppen Max. Vorlauftemp.: (Eintritt: 40 C Austritt: 30 C Aufzeichnungen monovalente Erzeugung mit WP Zusatzheizung ja nein Sperrzeiten: Schema liegt bei alternativ parallel Umschaltpunkt: C Art: Leistung: kw Energiebedarf Wärmeleistungsbedarf: 7.8 kw (gem. SIA 384/2) Heizenergiebedarf: kwh/a (gem. SIA 380) Beheizte Bodenfläche: m² Fensterflächen: 75 m² spez. Leistung: W/m² 2) Lüftungsanlage WRG Leistung : kw Wirkungsgrad: %

14 Schema Heizungsanlage Wärmepumpe: Fabrikat, Typ: KWT ZS26 K4E SW einstufige WP Mehrstufige WP Stufen: Betriebsstunden total: 4200 Aufzeichnungen (Stunden / Stromverbrauch..) Solepumpe: Fabrikat, Typ, Stufe: 4-stufig einfach Doppelpumpe leistungsangepasst Frequenzreguliert Soleflüssigkeit: Propylenglykol 30 % Expansionsgefäss: Grösse, Vordruck: 0.8 bar Vordruck Position Saugseite der Solepumpe Druckseite Verrohrung Solekreis Typ: Durchmesser: di= Länge: Warmwasserbereitung separat mit Wärmepumpe Ergänzungsheizung Max. Vorlauftemp.: C Leistung Ergänzungsheizung: kw Anzahl Personen oder WW-Bedarf bei BW.: Schadenbeschreibung: Erfrierungen im Bereich der Garage Fotos Beschreibung

15 3.2.2 Beschreibung Für einen Einfamilienhaus-Neubau wurde der Heiz- und Warmwasserbedarf über eine Wärmepumpe mit zwei 80 m tiefen EWS gedeckt. Nach 3 Jahren Betrieb wurde Eisbildung festgestellt. Über ca. 1.5 Jahre wurden deshalb die Eintritts- und Austrittstemperatur sowie die Betriebsstunden der Wärmepumpe punktuell registriert. Tabelle 3-1 fasst die Messwerte zusammen. Zählt man die Betriebsstunden über ein Jahr zusammen (April 2004 bis April 2005) ergibt sich ein Total von fast 4'200 h (Durchschnittlich erwartete Betriebsstunden= 1'800 h). Zudem sind die gemessenen Sondeneintrittstemperaturen mit bis 5 C sehr tief. Es ist zu beachten, dass es sich bei den Temperaturen um punktuelle Messungen handelt. Die effektiven Werte könnten deshalb noch tiefer gewesen sein. Tabelle 3-1: Betriebstunden und Eintritts- (T in ) und Austrittstemperatur (T out ) des Sondenfluids. Datum Aufsummierte T in [ C] T out [ C] Betriebstunden 10.11.2003 12 547-1 3 04.11.2003 12 627-1 2 14.01.2004 13 604-3 0 26.01.2004 13 855-5 -2 08.02.2004 14 087-4 -1 23.02.2004 14 349-5 -2 08.03.2004 14 630-2 -2 03.04.2004 15 037 1 1 23.04.2004 15 276-3 0 14.05.2004 15 480 2 2 01.06.2004 15 622-1 2 14.06.2004 15 729 4 5 05.07.2004 15 865 5 5 17.07.2004 15 935 2 5 06.08.2004 15 993 7 7 17.08.2004 16 023 7 7 13.09.2004 16 124 6 6 28.09.2004 16 234 0 3 22.10.2004 16 415 3 4 07.11.2004 16 567-1 1 29.11.2004 16 911-3 0 14.12.2004 17 189-5 -2 05.04.2005 19 218-4 -1 April - April 4 181 3.2.3 Analyse der Schadensursachen Als Soleflüssigkeit wurde ein Propylenglykol (30%)-Wasser-Gemisch verwendet. Diese besitzt eine relativ tiefe Viskosität (hohe Zähigkeit), wodurch sich im vorliegenden Fall in der EWS eine laminare Strömung ausbildete. Unter diesen Bedingungen liegt die Eisbildungsgrenze bei einer minimalen, mittleren Soletemperatur zwischen Eintritts- (T in ) und Austrittstemperatur (T out ) von ~-6.5 C. Vergleicht man diesen Grenzwert mit den Messwerten in Tabelle 3-1, wäre eigentlich im vorliegenden Fall mit keiner Eisbildung im EWS-Bereich zu rechnen gewesen. Um die Ursachen der beobachteten Eisbildungen und der sehr hohen Betriebstunden zu untersuchen, wurden verschiedene Simulationen mit EED durchgeführt (Siehe Kapitel 2.2). Zuerst wurde die Anlage gemäss dem Anlagebeschrieb unter Kapitel 3.2.1 simuliert: Variante 1 mit einer Heizleistung von 7.8 kw

16 Abbildung 3-3 stellt den Verlauf der minimalen Soletemperatur als gemittelte Werte aus Vor- und Rücklauf (tiefsten Monatstemperaturen) dar. Die minimalen Werte liegen deutlich unter dem in der FWS-Richtlinie empfohlenen Wert von -1.5 C. Die Simulation zeigt aber auch, dass der Grenzwert für Eisbildung von 6.5 C auch nach 50 Betriebsjahren nicht unterschritten würde. Die aufgetretenen Schäden sind somit nicht auf eine Unterdimensionierung der Anlage, bezüglich einer Heizleistung von 7.8 kw, zurückzuführen. Unter den angenommenen Anlagebedingungen nach Variante 1 ergibt sich für die Deckung des Heizbedarfs eine simulierte Betriebszeit von 2'340 h (siehe Tabelle 3-2). Dies liegt deutlich unter den effektiv gemessenen 4'200 h. Dies lässt darauf schliessen, dass die effektive Heizleistung deutlich höher war als 7.8 kw, für die die Anlage ausgelegt wurde. Der Heizbedarf wurde für eine Aussentemperatur von 9 C und eine mittlere Raumtemperatur von 19 C ausgelegt, was für einen Wohnraum relativ tief ist. Es ist davon auszugehen, dass im vorliegenden Fall die Raumtemperatur im Winter jeweils bei 24 C lag. Dies entspräche einem Bedarf von 9.2 kw. Um das Betriebsverhalten der Anlage bei höherem Wärmebedarf zu analysieren, wurden zwei weitere Simulationen durchgeführt: Variante 2 mit einem Bedarf von 9.2 kw Variante 3 mit 10.3 kw Abbildung 3-3 zeigt, dass die Soletemperatur für diese zwei Varianten mit höherem Bedarf abnimmt, aber auch, dass die Grenztemperatur für Eisbildung bei laminarer Strömung auch hier nicht erreicht wird. Wie in Tabelle 3-2 zusammengestellt, steigen die Betriebstunden für diese zwei Fälle auf 3'180 h bzw. 3'540 h. Der Vergleich mit den gemessenen Betriebstunden (4'181 h in Tabelle 3-1) deutet auf einen noch höheren Heizbedarf hin, der im Bereich von ca. 12 kw liegen könnte. 5 Temperatur Soleflüssigkeit Variante 1 Minimaltemperatur Dezember Variante 1 mittlere Soletemperatur (Tein+Taus)/2 [ C] 2.5 0-2.5-5 Minimaltemperatur Dezember Variante 2 Minimaltemperatur Dezember Variante 3 Empfehlung FWS 0/-3 C auf 25 Jahre Grenzbereich signifikante Eisbildung bei laminarer Strömung -7.5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Laufzeit in Jahren Abbildung 3-3: Simulierter Temperaturverlauf des Sondenfluids (Mitteltemperatur aus Vor- und Rücklauf). Dargestellt ist der zyklische Verlauf der Soletemperatur über 50 Jahre für die Variante 1 sowie die jeweiligen Minimaltemperaturen für Variante 1 bis 3. Weiter sind der Richtwert für die Dimensionierung gemäss FWS (-1.5 C) sowie der Grenzwert für Eisbildung bei laminarer Strömung (-6.5 C) eingetragen.

17 Tabelle 3-2: Berechnete Betriebstunden für die verschiedenen Simulationsvarianten. Q h [kw] Betriebsstunden [h] Variante 1 7.8 2340 Variante 2 9.2 3180 Variante 3 10.3 3540 3.2.4 Massnahmen Mit den durchgeführten Berechnungen konnten mögliche Schadensursache aufgezeigt werden. Es ist davon auszugehen, dass der Wärmebedarf deutlich höher ist, als bei der ursprünglichen Dimensionierung angenommen. Sollte der Wärmebedarf tatsächlich bei ca. 12 kw liegen, wäre die Anlage stark unterdimensioniert und muss zwingend saniert werden (z.b. Bohren von zusätzlichen Erdwärmesonden oder Erdwärmekörben). Da aber die effektiven Randbedingungen nicht bekannt waren, wurde empfohlen, die Anlage systematisch auszumessen und die Hinterfüllung zu überprüfen.

18 3.3 Schadensfall 3: Unterdimensionierte EWS 3.3.1 Technische Daten Gebäudeart: EFH, Heizung (Neubau) Anlagebeschrieb Erdwärmesonde Bohrprofil Anzahl Erdwärmesonden: 1 Tiefe: 120 m Bohrlochdurchmesser: 133 mm Doppel-U 32x3.0 Doppel-U 40x3.7 Koaxial : mm andere: Injektion Bentonit/Zement Opalit/Zement Bentonit/Zement/Sand andere: Anordnung der EWS: Plan Abstand: Skizze Rückseite Linie Rechteck L-Form andere: Anschluss: direkt Y-Formstücke andere: : 40 mm Länge: Verrohrungsart (siehe Skizze Rückseite) Minimale Erdwärmesondentemperaturen (Eintritt: Austritt: Aufzeichnungen Geologisches Profil

19 Heizsystem Inbetriebsetzungsdatum: Winter 1996 Bauaustrocknung mit WP Bodenheizung Heizkörperheizung kombiniert Pufferspeicher Mischgruppen Max. Vorlauftemp.: (Eintritt: 45 C Austritt: Schema liegt bei Aufzeichnungen monovalente Erzeugung mit WP Sperrzeiten: Zusatzheizung ja nein alternativ parallel Umschaltpunkt: C Art: Leistung: kw Energiebedarf Wärmeleistungsbedarf: 11.5 kw (gem. SIA 384/2) Heizenergiebedarf: kwh/a (gem. SIA 380) Beheizte Bodenfläche: 70 m² Fensterflächen: 63 m² spez. Leistung: W/m² 2) Lüftungsanlage WRG Leistung : kw Wirkungsgrad: % Wärmepumpe: Fabrikat, Typ: Stiebel Eltron WPWE 14 K einstufige WP Mehrstufige WP Stufen: Betriebsstunden total: ca. 1200 h/jahr Stromverbrauch: 4'500 kwh/jahr Solepumpe: Fabrikat, Typ, Stufe: CR 20 Grunfoss einfach Doppelpumpe leistungsangepasst Frequenzreguliert Soleflüssigkeit: Ethylenglykol Expansionsgefäss: Grösse, Vordruck: 25 Liter Position Saugseite der Solepumpe Druckseite Verrohrung Solekreis Typ: Durchmesser : Länge: Warmwasserbereitung separat mit Wärmepumpe Ergänzungsheizung Max. Vorlauftemp.: C Leistung Ergänzungsheizung: kw Anzahl Personen oder WW-Bedarf bei BW.: Schadenbeschreibung: Eisbildung beim Verteiler Fotos Beschreibung

20 3.3.2 Beschreibung Für die Beheizung eines Einfamilienhaus-Neubaus wurde eine WP-Anlage mit einer 120 m tiefen EWS gebaut. Gemäss dem Hausbesitzer hat Rücklauftemperatur der Anlage von Jahr zu Jahr stetig abgenommen und an der Vor- und Rücklaufleitung der Erdwärmesonde kam es zur Bildung einer dicken Eisschicht. 3.3.3 Analyse der Schadensursachen Eine erste Sichtung der Anlagedaten zeigte, dass die Wärmepumpe stark überdimensioniert bzw. die EWS unterdimensioniert waren. Die installierte Wärmepumpe weisst bei B0W45 (45 C Vorlauftemperatur) eine Heizleistung Q h von 13.2 kw (Heizbedarf nach Angaben 11.5 kw) und eine Kälteleistung Q k von 9.6 kw (COP= 3.6) aus. Bei einer 120 m tiefen EWS ist das eine Belastung von 80 W m -1! Es zeigt sich bereits bei dieser groben Betrachtung, dass die Erdwärmesonde stark unterdimensioniert ist. 3.3.4 Simulation der Erdwärmesondentemperaturen Um die Einflüsse dieser falschen Dimensionierung genauer zu analysieren, wurden das Betriebsverhalten der Anlage für zwei Varianten simuliert: Variante 1: Heizbedarf gemäss Angaben = 11.5 kw Variante 2: Geschätzter effektiver Heizbedarf = 9.5 kw Der in der Variante 2 angenommene Heizbedarf von 9.5 kw wurde anhand einer groben Abschätzung unter Berücksichtigung von Transmissions- und Lüftungsverluste und durch Befragung des Hausbesitzers (Verbrauch von 3 bis 4 Raummetern Holz als Zusatzheizung) geschätzt. Dieser Heizbedarf deckt sich in etwa mit den Stromrechnungen. Abbildung 3-4 stellt den Verlauf der Soletemperatur (mittlere Temperatur aus Austritts- und Eintrittstemperatur in die EWS) für die Variante 1 und die minimale Temperatur für beide Variante dar. Gemäss FWS-Richtlinie darf die mittlere Soletemperatur nicht unter -1.5 C (VLF= 0 C RLF= -3 C) sinken. Signifikante Eisbildungen sind ab einer Temperatur von -5 C zu erwarten. Wie Abbildung 3-4 zeigt, ist die minimale Soletemperatur für beiden Varianten bereits im ersten Betriebsjahr unter diesem Grenzwert liegen, was die beobachteten Eisbildungen erklärt.

21 mittlere Soletemperatur (Tein+Taus)/2 [ C] 10 7.5 5 2.5 0-2.5-5 -7.5 Soletemperatur Variante 1 Minimaltemperatur Variante 1 Minimaltemperatur Variante 2 Empfehlung FWS 0/-3 C nach 25 Jahren Grenzbereich signifikante Eisbildung -10 0 5 10 15 20 25 Laufzeit in Jahren Abbildung 3-4: simulierter Temperaturverlauf des Sondenfluids (Mitteltemperatur aus Vor- und Rücklauf). Dargestellt ist der zyklische Verlauf der Soletemperatur über 25 Jahre für die Variante 1 sowie die jeweiligen Minimaltemperaturen für Variante 1 und 2. Weiter sind der Richtwert für die Dimensionierung gemäss FWS (-1.5 C) sowie der Grenzwert für Eisbildung (-5 C) eingetragen. 3.3.5 Massnahmen Eine Sanierung der Anlage ist notwendig. Folgende Variante sind denkbar: Ersetzen der Wärmepumpe durch eine kleinere (kleinere Leistung), die auf die Leistung abgestimmt ist, die aus ein 120 m EWS förderbar ist. Bei dieser Variante kann aber der Wärmebedarf (11.5 bzw. 9.5 kw) nicht monovalent mit der Wärmepumpe gedeckt werden. Eine Zusatzheizung (z.b. der Specksteinofen) wäre nötig. Damit der Heizbedarf monovalent über die Wärmepumpe gedeckt werden kann, wäre die Bohrung einer zusätzlichen EWS nötig.

22 3.4 Schadensfall 4: Vernachlässigung der gegenseitigen Beeinflussung von EWS 3.4.1 Technische Daten Gebäudeart: EFH, Heizung mit Warmwasseraufbereitung (Neubau) Anlagebeschrieb Erdwärmesonde Bohrprofil im Anhang Anzahl Erdwärmesonden: 3 Tiefe: 1x60, 2x50 m Bohrlochdurchmesser: mm Doppel-U 32x3.0 Doppel-U 40x3.7 Koaxial : mm andere: Injektion Bentonit/Zement Opalit/Zement Bentonit/Zement/Sand andere: eventuell teilweise hinterfüllt mit Bohrgut, obere EWS-Teile sind nicht hinterfüllt Anordnung der EWS: Plan Abstand: 5 m Skizze Linie Rechteck L-Form andere:sternförmig an zentralen Verteiler angeschlossen Anschluss: direkt Y-Formstücke andere: : 40 mm Länge:40 m Verrohrungsart: Minimale Erdwärmesondentemperaturen (Eintritt: C Austritt: C Aufzeichnungen in der Schadensfallbeschreibung Geologisches Profil

23 Heizsystem Inbetriebsetzungsdatum: 9. November 2000 Bauaustrocknung mit WP Bodenheizung Heizkörperheizung kombiniert Pufferspeicher Mischgruppen Max. Vorlauftemp.: (Eintritt: 35 C Austritt: C Schema liegt bei Aufzeichnungen im Anhang monovalente Erzeugung mit WP Sperrzeiten: Zusatzheizung: ja nein alternativ parallel Umschaltpunkt: C Art: 10 m 2 Sonnenkollektoren ca. 3500 kwh/jahr Leistung: kw Energiebedarf Wärmeleistungsbedarf: 10 kw (gem. SIA 384/2) Heizenergiebedarf: 23'200 kwh/a (gem. Simulation anhand der Angaben) Beheizte Bodenfläche: m² Fensterflächen: m² spez. Leistung: W/m² Lüftungsanlage WRG Leistung : kw Wirkungsgrad: % Schema Heizungsanlage

24 Wärmepumpe: Fabrikat, Typ: Satag BW 110 einstufige WP Mehrstufige WP Stufen: Betriebsstunden total: Aufzeichnungen im Anhang (Stunden, Stromverbrauch,...) Solepumpe: Fabrikat, Typ, Stufe: UPS 32/55 (max.), Stufe 2 einfach Doppelpumpe leistungsangepasst Frequenzreguliert Soleflüssigkeit: 38% Propylenglykol Expansionsgefäss: Grösse, Vordruck: Position Saugseite der Solepumpe Druckseite Verrohrung Solekreis: Typ: PE Durchmesser: di = 32.6 mm Länge: 3 m Warmwasserbereitung separat mit Wärmepumpe Ergänzungsheizung Max. Vorlauftemp.: 55 C Leistung Ergänzungsheizung: Sonnenkollektoren Anzahl Personen oder WW-Bedarf bei BW.: 11.6 kwh/tag Schadenbeschreibung: Tiefe Erdwärmesondentemperaturen Fotos Beschreibung 3.4.2 Beschreibung Diese Anlage wurde für die Energieversorgung eines Einfamilienhaus-Neubaus erstellt. Es wurden 2 EWS à 80 m geplant. Wie aus dem geologischen Profil hervorgeht (siehe Kapitel 3.4.1) stiess man bei der ersten Bohrung bei ca. 46 m Tiefe auf Wasser. Ab 60 m war der Zufluss zudem sehr gross. Je nach Bohrgerätschaft und Qualifikation muss bei solchen Bedingungen die Bohrung abgebrochen werden. Aus diesem Grund wurde vermutlich die erste Erdwärmesonde nur bis 60 m abgeteuft. Anschliessend wurden 2 weitere EWS à 50 m versetzt. Damit entsprach die Gesamtsondenlänge der geplanten Länge. Der Abstand zwischen den EWS betrug jeweils 5 m. Bei der Inbetriebsetzung der Anlage wurden bereits sehr tiefe EWS-Temperaturen registriert (VLT= 5.3 C, RLT= 1.7 C). Diese Fördertemperaturen sanken in den folgenden Jahren kontinuierlich ab und die Anlage konnte nicht befriedigend betrieben werden. Es kam zu Eisbildung, wodurch die Hinterfüllung verpresst wurde und die Leistungsfähigkeit der Sonden zusätzlich vermindert wurde. 3.4.3 Analyse der Schadensursachen Die Vor- und Rücklauftemperatur vom Sole- und Heizkreislauf wurde über 2 Tage (3. Betriebsjahr) ausgemessen. Die gemessenen Daten wurden analysiert, um die möglichen Ursachen für die tiefen EWS-Temperaturen abzuklären. Dabei wurden minimale Werte von -4.7 C registriert. Als Frostschutzmittel wurde 38 % Propylenglykol (Frostschutz bis 20 C) verwendet, weshalb die Soleflüssigkeit relativ dickflüssig war. Dadurch resultierte eine sehr tiefe Reynoldszahl (550) und die Strömung war somit laminar. Bei laminare Strömungen ist der Wärmeübergang vom Erdreich ins Sondenfluid geringer als turbulenter Strömung. Turbulente Strömung könnte im vorliegenden Fall durch Ersatz des Frostschutzmittels durch 20 % Ethylenglykol und einer Durchflusserhöhung von~40 % erreicht werden. Der Einsatz eines anderen Sondenfluids alleine, wäre allerdings we-

25 gen der weiterhin zu erwartenden tiefen Fördertemperaturen zu riskant und hätte die Eisbildung um die Sonde nicht verhindert. 3.4.4 Simulation der Erdwärmesondentemperaturen Die Betriebstemperaturen in den Erdwärmesonden für die bestehende Anlage wurden mit der Software EED simuliert (siehe Kapitel 2.2). Das Modell berücksichtigt die 3 EWS (eine EWS à 60 m und 2 EWS à 50 m), die verwendete Soleflüssigkeit (38% Propylenglykol) mit entsprechend laminarem Durchfluss und eine korrekte Hinterfüllung der Erdwärmesonden. Die Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes wurde aufgrund des Bohrprofils mit 2.8 W m -1 K -1 und die Wärmekapazität mit 2.3 MJ m -3 K -1 angenommen. Der Effekt des angefahrenen Grundwassers wurde nicht berücksichtigt, da nur der unterste Teil der Sonden im Grundwasser steht. Als Input wurde der Energiebedarf des Gebäudes eingegeben. Die resultierenden minimale EWS-Temperaturen (wiederum als Mittelwert aus Vor- und Rücklauf) über 25 Jahre sind in Abbildung 3-5 dargestellt. Die minimale Temperatur liegt schon von Beginn an unter den nach FWS empfohlenen Wert von -1.5 C (0/-3 C). Ein ähnliches Bild zeigte sich auch für Berechnungen bei turbulenter Strömung (wie in Kapitel 3.4.3 erwähnt). Simulationen zeigten, dass nur ca. 1.5 K höhere Temperaturen bezüglich Abbildung 3-5 resultieren würden. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-1 -2 Temperatur C -3-4 -5 Tmin Jahr 1 Tmin Jahr 2 Tmin Jahr 5 Tmin Jahr 10 Tmin Jahr 25-6 -7-8 Monate Abbildung 3-5: Simulation des Betriebsverhalten der EWS-Anlage über 25 Betriebsjahre für die ausgeführte Anzahl und Länge der EWS (2x50 m, 1x60 m). Die Simulation beginnt im September (Monat 9) und es sind die minimalen Fluidtemperaturen (als Mittelwert aus Vor- und Rücklauf) in der EWS angegeben. Weitere Berechnungen zeigten, dass bei 3 EWS im Abstand von 5 m je 62.5 m nötig wären. Wegen der gegenseitigen Beeinflussung der EWS, muss für die gleiche Leistung die Gesamtlänge bei 3 EWS grösser sein, als bei 2 EWS. Die für die Anlage gewählte Variante mit 3 EWS à 2 x 50 m und 1 x 60 m ist somit zu knapp dimensioniert. Die gegenseitige Beeinflussung von EWS ist allgemein bei der Dimensionierung zu berücksichtigen!

26 3.4.5 Massnahmen Eine Erhöhung der EWS-Temperaturen kann durch verschiedene Massnahmen erreicht werden: Die sinnvollste und nachhaltigste Massnahme ist das Abteufen einer zusätzlichen EWS. Die Hydraulik könnte verbessert werden, indem die Anlage im turbulenten Bereich gefahren wird. Der Einsatz eines anderen Sondenfluids alleine ist allerdings wegen der zu erwartenden tiefen Fördertemperaturen zu riskant. Der Kontakt der bestehenden EWS mit dem Erdreich ist wahrscheinlich durch die Eisbildung vermindert worden. Dies könnte verbessert werden, in dem die EWS neu hinterfüllt werden. Dabei muss aber mit der nötigen Sorgfalt vorgegangen werden, um die Sonden nicht zu beschädigen.

27 3.5 Schadensfall 5: Schlechte oder fehlende EWS-Hinterfüllung 3.5.1 Technische Daten Gebäudeart: EFH, Heizung mit Warmwasseraufbereitung (Neubau) Anlagebeschrieb Erdwärmesonde Bohrprofil Anzahl Erdwärmesonden: 2 Tiefe: 80 m Bohrlochdurchmesser: mm Doppel-U 32x3.0 Doppel-U 40x3.7 Koaxial : 90/32 mm andere: Injektion Bentonit/Zement Opalit/Zement Bentonit/Zement/Sand andere: keine Angabe über Hinterfüllung, Bohrlochkopf ist aber eingesandet Anordnung der EWS: Plan Abstand: 8 m Skizze Rückseite Linie Rechteck L-Form andere: Anschluss: direkt Y-Formstücke andere: = 32 mm Länge: 20m Verrohrungsart (siehe Skizze Rückseite) Minimale Erdwärmesondentemperaturen (Eintritt: C Austritt: C Aufzeichnungen Heizsystem Inbetriebsetzungsdatum: Juli 1997 Bauaustrocknung mit WP Bodenheizung Heizkörperheizung kombiniert Pufferspeicher Mischgruppen Max. Vorlauftemp.: (Eintritt: 45 C Austritt: C Schema liegt bei Aufzeichnungen monovalente Erzeugung mit WP Sperrzeiten: Zusatzheizung: ja nein alternativ parallel Umschaltpunkt: C Art: Leistung: kw Energiebedarf Wärmeleistungsbedarf: 9.76 kw (gem. SIA 384/2) Heizenergiebedarf: kwh/a (gem. SIA 380) Beheizte Bodenfläche: m² Fensterflächen: m² spez. Leistung: W/m² Lüftungsanlage WRG Leistung : kw Wirkungsgrad: %

28 Wärmepumpe: Fabrikat, Typ: Hofer WSW 12 AS einstufige WP Mehrstufige WP Stufen: Betriebsstunden total: Aufzeichnungen: Stromverbrauch WP+UP 97/98 = 5854 kwh Solepumpe: Fabrikat, Typ, Stufe: EMB NS 25-110 einfach Doppelpumpe leistungsangepasst Frequenzreguliert Soleflüssigkeit: Expansionsgefäss: Grösse, Vordruck: 12 Litern, 0.8 bar Vordruck Position Saugseite der Solepumpe Druckseite Verrohrung Solekreis: Typ: Siederohre Durchmesser: di= 28.50 da=33.7 mm Länge: 12 m Warmwasserbereitung separat mit Wärmepumpe Ergänzungsheizung Max. Vorlauftemp.: C Leistung Ergänzungsheizung: kw Anzahl Personen oder WW-Bedarf bei BW.: 150 Liter/Tag Schadenbeschreibung: Trichterbildungen Fotos Beschreibung 3.5.2 Beschreibung Bei dieser Anlage handelt es sich um zwei koaxiale EWS von je 80 m Tiefe, die für die Beheizung eines Einfamilienhaus-Neubaus gebohrt wurden. Nach 5 Jahren Betireb wurden Trichterbildungen am EWS-Kopf (siehe Abbildung 3-6) und Eisbildung am Solekreis beobachtet. Abbildung 3-6: Erdwärmesondenkopf mit Setzungstrichter d=40cm, Absenkung ca. 15cm. 3.5.3 Analyse der Schadensursachen Es zeigte sich, dass das Bohrloch nicht mit einer üblichen Zement Bentonit-Suspenison hinterfüllt wurde und der Bohrlochkopf mit einem siltigen Sand eingesandet war. Das Hinterfüllen ist bei Koaxial-EWS im Gegensatz zu Duplex-EWS schwieriger auszuführen. Aufgrund der runden Aus-

29 senform und der üblichen Bohr- und Sondendurchmesser ist die Verwendung eines Flachinjektionsschlauches notwendig. Dies ist technisch aufwendig und kostenintensiv. Bei fehlender Hinterfüllung steht die EWS nicht in Kontakt mit dem Umgebungsgestein und die Leistung der EWS ist deshalb kleiner. 3.5.4 Massnahmen Koaxiale EWS ohne Hinterfüllung können kaum saniert werden. Eine vollständige Hinterfüllung ist nachträglich fast nicht realisierbar. Zudem besteht die Gefahr einer mechanischen Verletzung des Sondenkörpers. Sinnvoll ist einzig die Kompensierung der fehlenden Wärmeleistung durch zusätzliche EWS oder Erdwärmekörbe.

30 3.6 Schadensfall 6: Fehlerhafte Regelung der WP 3.6.1 Technische Daten Gebäudeart: EFH, Heizung (Neubau) Anlagebeschrieb Erdwärmesonde Bohrprofil Anzahl Erdwärmesonden: 3 Tiefe: 40 m Bohrlochdurchmesser: mm Doppel-U 32x3.0 Doppel-U 40x3.7 Koaxial : mm andere: Injektion Bentonit/Zement Opalit/Zement Bentonit/Zement/Sand andere: Anordnung der EWS: Plan Abstand: 5 m Skizze Linie Rechteck L-Form andere: Anschluss: direkt Y-Formstücke andere: = 26mm Länge:20 m Verrohrungsart: beide Kreise in Serie geschaltet Minimale Erdwärmesondentemperaturen (Eintritt: C Austritt: C) Aufzeichnungen in der Schadensfälle Beschreibung Geologisches Profil Heizsystem Inbetriebsetzungsdatum: 15. August 1998 Bauaustrocknung mit WP Bodenheizung Heizkörperheizung kombiniert Pufferspeicher Mischgruppen Max. Vorlauftemp.: (Eintritt: C Austritt: C Schema liegt bei Aufzeichnungen im Anhang monovalente Erzeugung mit WP Sperrzeiten: Zusatzheizung ja nein alternativ parallel Umschaltpunkt: C Art: Leistung: kw

31 Energiebedarf Wärmeleistungsbedarf: ca. 7.5 kw Heizenergiebedarf: 14'000 kwh/a (Aufgrund Regelungsfehler wurden effektiv 30'000 kwh/a erzeugt) Beheizte Bodenfläche: m² Fensterflächen: m² spez. Leistung: W/m² Lüftungsanlage WRG Leistung : kw Wirkungsgrad: % Wärmepumpe: Fabrikat, Typ: Stiebel Eltron WPWE 8 mit R290 (Propan) Füllung einstufige WP Mehrstufige WP Stufen: Betriebsstunden total: ca. 4000 h/jahr Aufzeichnungen Solepumpe: Fabrikat, Typ, Stufe: EMB TOP S 30/10 Stufe 1 einfach Doppelpumpe leistungsangepasst Frequenzreguliert Soleflüssigkeit: 38.5 %Ethylenglykol bei 10 C Expansionsgefäss: Grösse, Vordruck: Pneumatex 18 Liter 1 bar Vordruck Position Saugseite der Solepumpe Druckseite Verrohrung Solekreis: Typ: PE Durchmesser: di= 32.6 mm Länge: 8 m Warmwasserbereitung separat mit Wärmepumpe Ergänzungsheizung Max. Vorlauftemp.: C Leistung Ergänzungsheizung: kw Anzahl Personen oder WW-Bedarf bei BW.: Schadenbeschreibung: Hebungen/Senkungen Fotos Beschreibung Schäden am Marmorboden Fotos Beschreibung 3.6.2 Beschreibung Für die Beheizung eines Einfamilienhaus-Neubaus wurden 3 EWS à 40 m Tiefe erstellt. Im Winter des 4. Betriebsjahres fror der Garagenplatz. Bei den Grabarbeiten zeigte sich ein dicker Eismantel um die Zuleitungen der EWS. Weiter entstanden im Marmorboden des Hauses kleine Risse. 3.6.3 Analyse der Schadensursachen Um die möglichen Ursachen der Schäden abzuklären wurden die EWS mit einem Datalogger und einem hochempfindlichen Temperaturfühler versehen und die Temperatur des Sondenfluids ausgemessen. Die Messungen zeigten, dass die Tiefsttemperaturen im September, vor Beginn der Heizperiode, bereits bei ~5.45 C lagen. Die Überprüfung der Dimensionierung ergab, dass die Anlage mit 3 x 40 m tiefen EWS korrekt ausgelegt war. Auch zeigte sich, dass alle 3 Sonden durchströmt wurden. Um die Ursache dieser tiefen Temperaturen abzuklären, wurde deshalb die Steuerung der Anlage näher analysiert. Nach Aussage des Hausbesitzers war die Raumtemperatur immer sehr hoch und konnte nur durch Lüf-

32 ten gesenkt werden. Die Wärmepumpe schaltete sich bereits bei 23 C Aussentemperatur (Standard-Heizgrenze 14-17 C) automatisch ein. Die Vorlauftemperatur betrug dabei 35 C, was im Anbetracht der Aussentemperatur viel zu hoch ist. Gemäss der eingestellten Heizkurve hätte die Vorlauftemperatur der Heizung eigentlich 21 C betragen sollen (Heizkurve: Aussentemperatur -20 C Vorlauftemperatur der Heizung 48 C und Aussentemperatur +20 Vorlauftemperatur 23 C; dies entspricht einer Steilheit 0.625). Diese Diskrepanz deutete auf ein Problem bei der Wärmepumpensteuerung hin. Aufgrund der bei 23 C Aussentemperatur gemessenen hohen Vorlauftemperatur, kann vermutet werden, dass bei tieferen Aussentemperaturen die Vorlauftemperatur noch wesentlich höher war. Die Wärmepumpe war mit dem Kältemittel R290 (Propan) gefüllt und kann Temperaturen von über 60 C erzeugen. Ob solche Temperaturen im Winter erreicht wurden, kann nicht mit Sicherheit gesagt werden. Die Schäden im Marmorboden könnten aber darauf hindeuten. Die hohen Vorlauf- und die resultierenden hohen Raumtemperaturen korrespondieren mit der langen Betriebsdauer. Durch die hohen Temperaturen und die Regelung der Raumtemperatur durch Lüften war der Wärmebedarf wesentlich höher als berechnet. Der Stromzähler zeigte, dass die Wärmepumpe pro Jahr im Schnitt ca. 4000 h im Betrieb war. Für eine richtig dimensionierte und gut gesteuerte Anlage sind ca. 1800 Betriebsstunden zu erwarten. Diese hohen Betriebszeiten haben zur Überlastung der EWS geführt, was dann schliesslich zum Gefrieren des Garagenplatzes und eventuell zu den Schäden am Marmorboden führte. 3.6.4 Massnahmen Es wurde empfohlen, die Steuerung der WP zu überprüfen und die WP so zu regeln, dass die Vorlauftemperatur gemäss der Heizkurve auf die Aussentemperatur abgestimmt ist und die Raumtemperatur nicht mehr über Lüften reguliert werden muss.

33 3.7 Schadensfall 7: Fehlerhafte Hydraulik 3.7.1 Technische Daten Gebäudeart: 3 EFH, Heizung mit Warmwasseraufbereitung (Neubau) Anlagebeschrieb Erdwärmesonde Bohrprofil Anzahl Erdwärmesonden: 3 Tiefe: 140 m Bohrlochdurchmesser: mm Doppel-U 32x3.0 Doppel-U 40x3.7 Koaxial : andere: Injektion Bentonit/Zement Opalit/Zement Bentonit/Zement/Sand andere: keine Angabe über Hinterfüllung Anordnung der EWS: Plan Abstand: 8 m Skizze Rückseite Linie Rechteck L-Form andere: Anschluss: direkt Y-Formstücke andere: : Länge: Verrohrungsart (siehe Skizze Rückseite) Minimale Erdwärmesondentemperaturen (Eintritt: C Austritt: C Aufzeichnungen Heizsystem Inbetriebsetzungsdatum: 1999 Bauaustrocknung mit WP Bodenheizung Heizkörperheizung kombiniert Pufferspeicher Mischgruppen Max. Vorlauftemp.: (Eintritt: 45 C Austritt: C Schema liegt bei Aufzeichnungen monovalente Erzeugung mit WP Sperrzeiten: Zusatzheizung: ja nein alternativ parallel Umschaltpunkt: C Art: Wärmerückgewinnung Lüftungssytem Leistung: kw Energiebedarf Wärmeleistungsbedarf: Haus 1: 339 MJ/m 2 /a, EBF = 196 m 2 (gem. SIA 380/1) Haus 2: 289 MJ/ m 2 /a, EBF = 259 m 2 (gem, SIA 380/1) Haus 3: 299 MJ/ m 2 /a, EBF = 225 m 2 (gem. SIA 380/1) Heizenergiebedarf: kwh/a (gem. SIA 380) Beheizte Bodenfläche: m² Fensterflächen: m² spez. Leistung: W/m² Lüftungsanlage: Haus 1 250 m 3 /h, Haus 2 und 3 300 m 3 /h WRG Leistung : kw Wirkungsgrad: %

34 Wärmepumpe: Fabrikat, Typ: Dolder, 1 Stück ZR49, 2 Stücke ZR61 einstufige WP Mehrstufige WP Stufen: Betriebsstunden total: Aufzeichnungen (Stunden / Stromverbrauch..) Solepumpe: Fabrikat, Typ, Stufe: einfach Doppelpumpe leistungsangepasst Frequenzreguliert Soleflüssigkeit: Propylenglykol 30 % Expansionsgefäss: Grösse, Vordruck: Position Saugseite der Solepumpe Druckseite Verrohrung Solekreis: Typ: Durchmesser: Länge: Warmwasserbereitung separat mit Wärmepumpe Ergänzungsheizung Max. Vorlauftemp.: C Leistung Ergänzungsheizung: kw Anzahl Personen oder WW-Bedarf bei BW.: Schadenbeschreibung: Hebungen/Senkungen Fotos Beschreibung verringerter Durchfluss Fotos Beschreibung ungenügende Heizleistung Fotos Beschreibung 3.7.2 Beschreibung Für die Beheizung von drei Terrassenhäuser wurden drei Erdwärmesonden à 140 m abgeteuft und eine Wärmepumpe pro Haus installiert. Auf dem Platz vor der Garage des untersten Hauses wurden nach der 5. Heizperiode Senkungen festgestellt, die auf Eisbildung im Boden schliessen lassen (Abbildung 3-7). Weiter war der Verteiler im Schacht bereits im Winter eingefroren (Abbildung 3-8). Auch im Bereich der Treppen zu den oberen beiden Häusern wurden grössere Hebungen und Eisbildungen festgestellt (Abbildung 3-9). Unter diese Treppen verlaufen die Verbindungsleitungen zwischen den Verteiler und den Häusern. Es wurde vermutet, dass die Zuleitungen eingefroren waren. Diese Vermutung wurde dadurch gestützt, dass im Winter bei den Wärmepumpen der oberen beiden Häuser extrem tiefe Temperaturen von bis 19 C gemessen wurden.