Schachtbrunnen
Rammbrunnen
Bohrbrunnen
Sp%FClbrunnen
Sp%FClbrunnen
Ziehbrunnen
Springbrunnen
Schwengelpumpe
Sodbrunnen
Förder-(Saug-) und Schluckbrunnen

Wie funktioniert ein eigener Brunnen?

 
Tiefenbohrung
Grundwasser
Qanat
Grundwasser
Qanat
   
Geschichte
Grundwasser
Förder-(Saug-) und Schluckbrunnen
Grundwasser
Grundwasser
 
Brunnen werden aus zwei verschiedenen Gründen gebaut. Einerseits gibt es den Brunnen zur Wasserförderung zur Trinkwasser- oder Brauchwassernutzung (WC-Spülung, Gartenbewässerung) und andererseits werden Brunnen zur Nutzung der Geothermie (Förderbrunnen-Schluckbrunnen, Tiefenbohrung) gebraucht. Für den Brunnenbau gibt es den Beruf der Brunnenbauer/in.
 
Ein Wasserbrunnen ist eine Aushöhlung oder eine Struktur, die im Boden geschaffen wird, um auf Grundwasser in den Grundwasserleitern (Aquifer) zuzugreifen. Ein Brunnen kann auch eine Ergänzung zur Regenwassernutzung darstellen, um "Trockenzeiten" zu überbrücken. Bei dem Erstellen eines Brunnens können unter besonderen Gegebenheiten je nach Bodenbeschaffenheit Gase (z. B. CO2, Methan [Faulgase], Radon) austreten. Hier sollte bei dem Verdacht auf Gasaustritt eine Gasanalyse durchgeführt werden.
 
Das Bohren oder Spülen von Brunnen, die das Grundwasser berühren oder beeinflussen, ist bei der unteren Wasserbehörde anzeigepflichtig. Eine Genehmigung und die Erlaubnis für die Inbetriebnahme für den Brunnen muss nicht eingeholt werden. Es besteht nur eine Anzeigepflicht. In den Bundesländern sind die Bedingungen für den Bau eines Grundwasserbrunnens unterschiedlich geregelt. Es gibt aber auch Ämter, die geben ihre Erlaubnis erst, wenn ein entsprechendes Gutachten vorliegt. Die Behörde kann auch darüber Auskunft geben, in welcher Tiefe Grundwasser ansteht, welche Qualität es hat und wozu es verwendet werden kann.
 

Für die öffentlichen Wasserversorgungsanlagen ist der Wasserversorger durch gesetzliche Auflagen verpflichtet, die Anlagen regelmäßig durch Sachverständige, Gutachter und/oder ein eigenes Labor  auf den hygienischen und technischen Zustand zu überprüfen zu lassen bzw. zu überprüfen. Bei der Eigenwasserversorgung (Einzelwasserversorgungsanlage) ist der Betreiber für den technischen und hygienischen Zustand und die Qualität seines Trinkwassers verantwortlich.

Gesundes Trinkwasser aus eigenen Brunnen und Quellen - UBA

 
Ein Brunnen, der für eine Trinkwassernutzung betrieben werden soll und dessen Wasser an Zweite und Dritte weitergegeben wird, sollte immer von einer konzessionierten Fachfirma errichtet werden. Diese sind in der Lage, den Brunnen fachgerecht zu planen, zu bohren und und die Technik zu installieren. Außerdem übernehmen sie auch die Gewährleistung.
 

Die richtige Brunnenart zur Wasserförderung (Kleinbrunnen) hängt von folgenden Faktoren ab

 
  • Beschaffenheit des Untergrundes
  • Gewünschte Fördermenge
  • Nutzung des Wassers (Trinkwasser, Brauchwasser, Mineralwasser)
  • Tiefe des Grundwasserleiters (Aquifer)
 
Das Brunnenwasser kann durch eine elektrische Tauchpumpe, Handpumpe (Schwengelpumpe), vertikale Turbinenpumpe oder mechanische Pumpe (z.B. Wasserpumpenwindmühle) gefördert werden. Aber auch ein mechanisches oder eigenhändiges Schöpfen mit einem Behälter (z. B. Eimer) ist möglich.
Die Brunnenarten werden nach der Art der Herstellung eingeteilt.
 

Schachtbrunnen

 
Quelle: Peter Müller
Der Schachtbrunnen - Brunnenbauforum.de
Ein Schachtbrunnen ist den meisten als typischer Brunnen bekannt. Er wird auch heutzutage noch als Brunnen für die Gartenbewässerung genutzt. Bei Fertigteilschachtbrunnen werden Schachtringe bis maximal 6 Meter abgesenkt. Bei der Ortbetonbauweise erfolgt ein stufenweises Ausbetonieren des zylindrischen Raumes.
Die Abteufung in die Grundwasser führende Schicht kann als vertikale Schachtung oder durch eine Sprengung erfolgen. Wenn das Bodenmaterial es zulässt, kann auf einen stabilisierenden Ausbau des Brunnens verzichtet werden. Ansonsten werden Brunnenringe oder ein gemauertes Ziegelmauerwerk verwendet. Genügend groß ausgelegt wirkt der Schacht als Wasserspeicher.
Für die Trinkwassergewinnung wird er nicht mehr genutzt.
Vorteile:
- In Gegenden mit wenig Grundwasser wird dieser Brunnen gebaut und genutzt werden, da er durch die große Sammelfläche im Schacht für diese Gegebenheit gut geeignet ist
- Er wirkt sehr dekorativ (oft steht auch nur ein Brunnenkopf im Garten)

Nachteil:
- Für den Bau ist viel Material und Aufwand notwendig

 

 

Sodenbrunnen
Der Sodenbrunnen (Sodbrunnen) ist ein Schachtbrunnen bis in die Grundwasser führenden Schichten reicht. Sie wurden mit Soden gebaut und nachträglich mit einer Aussteifung aus Holzgeflechten oder durch einen Holzrahmen verstärkt. Nach der Schöpfmethode unterscheidet man zwischen Zieh- und Wippgalgenbrunnen. Da aber das Grundwasser im Marschenland salzhaltig, teilweise sogar zusätzlich schwefelhaltig ist, war es in den meisten Fällen zur Trinkwasserversorgung der Bewohner nicht geeignet und konnte nur dann für das Vieh verwendet werden, wenn es mit Regenwasser zu Brackwasser wurde.

Sod
Die Sod (Sad > Grube) ist eine einfache Süßwasserzisterne, die flaschenförmig im Kleiboden (Sedimentation von Schlickwatt), mit Soden (viereckige Grasnarben- oder Torfstücke) oder Ziegelsteinen verkleidetet, angelegt ist und Regenwasser aufnimmt. Die schmale Öffnung wird mit einem Holzdeckel abgedeckt, um das Eindringen von Salzwasser zu verhindern. Das Wasser wird mit Eimern, die an Brunnenbäumen oder einfachen Schöpfstangen hängen, gefördert.

 
 

Die Nordseemarschen haben keine Süßwasserquellen und auch kein brauchbares Grundwasser. Um Trinkwasser für die Bewohner und Wasser für das Vieh aufzufangen, gab/gibt es spezielle Einrichtungen. So besteht z. B. auf der Halbinsel Eiderstedt und den Halligen im nordfriesischen Wattenmeer das Grundwasser bzw. Oberflächenwasser aus Salzwasser (in St. Peter-Ording ist es außerdem schwefelhaltig). Erst mit der Wasserversorgung aus dem Geestland wurden diese Gebiete (Eiderstedt ab 1962, Hallig Hooge ab 1968, Hallig Gröde ab 1976) mit Trinkwasser versorgt.

Mehr zur Wasserversorgung im nordfriesischen Marschenland

 
  Schlagbrunnen - Rammbrunnen
 
 
Quelle:
Der Rammbrunnen - Brunnenbauforum.de

Der Schlagbrunnen (Rammbrunnen) kommt hauptsächlich dort zum Einsatz, wo Menschen einen Brunnen für die private Versorgung nutzen wollen. Das Grundwasser darf nicht tiefer als 7 m und der Boden muss leicht zu durchdringen sein. Der Brunnen wird durch das Einschlagen (Rammen) oder Einpressen eines Rohres mit einem geringem Durchmesser (< DN 80) in den oberflächennahen Grundwasserleiter hergestellt. Da mit dieser Brunnen nur eine geringe Wassermenge gefördert werden kann und die Lebensdauer begrenzt ist, wird er heute nur noch selten verwendet.

Mithilfe eines Stahlrohres mit einem spitzen Ende wird der Schlagbrunnen angelegt. An der Spitze befindet sich außerdem ein Rammbrunnenfilter. Dieses Stahlrohr wird dann in die Erde gerammt, bis die Wasserschicht erreicht ist. Danach wird über eine Pumpe, die elektrisch oder manuell (Hebel) betrieben wird, Wasser gefördert. In der Regel ist dieser Brunnen nicht für die Trinkwassergewinnung geeignet.
Vorteile:
- Günstige, einfache und schnelle Art, um einen Brunnen anlegen zu lassen
Nachteil:
- Grundwasserspiegel darf nicht tiefer als 8 Meter sein
 
  Bohrbrunnen
 

 

Quelle: Peter Müller
Erstellung eines Bohrbrunnen - Brunnenbauforum.de
 

 

 

Ein Bohrbrunnen kann große Wassermengen aus nahezu jeder Tiefe fördern. Die Herstellung erfordert schweres Gerät, wobei der Mindestdurchmesser meist erst bei über 10 cm anfängt. Mit dem Brunnen wird das Wasser aus tiefen Schichten (Tiefenwasser) gefördert. das durch die vielen Erdschichten besonders gefiltert wird und daher in den meisten Fällen eine gute Qualität hat. Er wird ab ca. 20 m) angewandt und   besteht aus einem Filterrohr mit Filterkies und Förderrohrleitung.
Bei den Bohrbrunnen unterscheidet man zwischen
  • Vertikalfilterbrunnen
  • Horizontalfilterbrunnen
  • Artesische Brunnen
Bei dem Vertikalfilterbrunnen wird das Bohrloch senkrecht in die Tiefe eingebracht. Im Gegensatz zum Schachtbrunnen eignet er sich zur Entnahme von Wasser aus verschiedenen wasserführenden Bodenschichten. Das heißt, dass durch den Ausbau der Bohrung mit Filter- und Vollrohren das  Wasser aus den gewünschten Schichten entnommen werden kann. Dadurch kann das Wasser aus Tiefen von mehreren 100 m in große Mengen gefördert werden.
Bei den Horizontalfilterbrunnen sind die Filterrohre waagerecht in den wasserführenden Schichten eingebracht, die in einen Sammelschacht münden. Sie werden hauptsächlich zur Förderung großer Wassermengen verwendet.

Vorteil:
- Kann Tiefenwasser fördern, das besonders gut gefiltert ist

Nachteile:
- Nur mit schwerer Bohrgerät zu erstellen
- Undichte Fassungen können schnell zu erhöhten Belastungen führen
 
 

Wie funktioniert ein eigener Brunnen?

 
 
Artesischer Brunnen
Quelle: Peter Müller - Brunnenbauforum.de

Artesischer Brunnen
Der artesische Brunnen wird
in einer Senke unterhalb des Grundwasserspiegels durch eine Bohrung in den Grundwasserleiter abgeteuft. Diese Leiter haben einen Druckspiegel über Geländeoberfläche (gespannt) und dadurch ein artesisches (freies) Überlaufen des Grundwassers. Der Druck entsteht durch die bestimmte Position der beiden Schichten (Schräg- oder Senklage). Dieses "hydraulische Potential" ist so hoch, dass das Wasser von selbst (ohne Pumpen) bis zur Erdoberfläche oder höher aufsteigt. Damit das Wasser nicht frei ablaufen kann, wird es durch eine Absperrvorrichtung entnommen.
Damit ein artesischer Brunnen funktioniert muss ein gespanntes Grundwasser vorhanden sein und eine wasserführende Gesteinsschicht (Grundwasserleiter) durch eine wasserundurchlässige Gesteinsschicht nach oben abgedichtet werden. Diese großräumige geologische Struktur des Grundwasserleiters ermöglicht den Aufbau von hydrostatischem Druck (z. B. zwischen schräg abfallenden Gesteinsschichten oder in einer schüsselförmigen Senke). Das Grundwasser steigt nach dem Prinzip der kommunizierenden Gefäße im Bohrloch bzw. im Schacht maximal bis zur Höhe der freien (ungespannten) Grundwasseroberfläche in der wasserführenden Schicht, wenn man den Grundwasserleiter mit gespanntem Grundwasser anbohrt. Liegt dieses Niveau höher als die Erdoberfläche am Brunnen, spritzt das Grundwasser unter Druck aus dem Untergrund nach oben.
Im Gegensatz zu einer artesischen Quelle wird ein artesischer Brunnen immer künstlich hergestellt.

Der Artesische Brunnen - Brunnenbauforum.de

Bei einer ausreichenden Wassermenge kann der Brunnen auch zur Stromerzeugung genutzt werden.
 

Artesischen Brunnen sind bereits viele Jahrhunderte v. Chr. in China, Nordafrika und in Vorderasien gebohrt worden. In Europa wurde der erste derartige Brunnen im Jahre 1126 in der Landschaft Artesien, dem Gebiet Artois im Norden Frankreichs, im Département Pas-de-Calais, bekannt und danach benannt. Seit dieser Zeit wurde gezielt nach gespanntem Wasser gesucht.
Die Voraussetzungen für artesische Brunnen sind dort vorhanden, wo Wasser von bergigen Höhen in die Tiefe fließt, ein großes Grundwasserreservoir bildet und nicht gleichmäßig abfließen kann. Deshalb sind artesische Brunnen z. B. in den Oasen der Wüsten in Nordafrika besonders interessant sind. Hier fließt das Wasser aus dem Atlasgebirge am Nordrand der Sahara viele hundert Kilometer auf einer wasserundurchlässigen Gesteinsschicht unter dem Wüstensand in die Sahara hinein und gelangt dann in einer Oase nur wenige Meter unter der Erdoberfläche nach oben.

 
 

Fossiles Wasser
Vorräte an fossilem Wasser mit einem Alter bis zu 40.000 Jahre, die wasserwirtschaftlich genutzt werden können,  befinden sich in den Sedimentationsbecken des Sahararaumes, wo sie zunehmend zur Wasserversorgung der dichter besiedelten nordafrikanischen Küstenregionen oder zur landwirtschaftlichen Bewässerung genutzt werden.

Fossiles Wasser (Grundwasser) kann

  • aus früheren niederschlagsreichen Zeiten in Lagerstätte in großen Tiefen eingelagert sein.  Dieses Wasser wird nicht mehr durch aktuellen Niederschläge erneuert und hat somit nicht mehr am atmosphärischen Wasserkreislauf teilgenommen
  • synsedimentär in Grundwasserleitern eingeschlossenes Wasser sein.

Der Nachweis von fossilem Wasser kann anhand der Halbwertszeit der vorhandenen Isotope (z.B. Tritium, 14C) bestimmt werden. Fossile Wässer haben sich in größerer Menge in Beckenstrukturen der alten Kontinentalschilde erhalten.
Ein Beispiel hierfür sind die Grundwasservorkommen in den nubischen Sandsteinen der Ostsahara, die aufgrund von 14C-Datierungen (radiometrischen Datierung) feuchteren Perioden des Neolithikums bzw. generell des Pleistozäns zugeordnet werden können. Der letzte große Wassernachschub kam vor ca. 10.000 Jahren, als in Europa die jüngste Eiszeit zu Ende ging und eine Warmzeit anbrach. Hier lagerten sich in Nord- und Südeutschland fossiles Grundwasser ab. Damals schmolzen die Gletscher und große Wassermengen verdunsteten. Die Wolken des afrikanischen Monsuns brachten Regen bis in das heutige Kerngebiet der Sahara. Unter der größten Wüste der Erde lagern große fossile Grundwasservorräte. Das älteste Wasser (25 Millionen Jahre alt), das in kristallinem Gestein gefunden wurde, stammt aus einem 2,8 Kilometer tiefen Bergwerk in Südafrika.

Fossiles Grundwasser gibt es auch im Mittleren Westen der USA: Hier erstreckt sich unter den Staaten Nebraska, Kansas, Colorado, Oklahoma, Texas und New Mexico ein riesiger Grundwasserspeicher (Ogallala-Aquifer). Der aus Sand- und Kiesablagerungen bestehende Gesteinsschutt hat einst insgesamt 3.450 km3 Grundwasser gespeichert.

Diese Wasservorräte sind sehr groß, aber begrenzt. Denn die angezapften Vorkommen haben keine Zuflüsse mehr und sind nach dem Abbau unwiederbringlich verloren.

Grundwasser: Ressource im Verborgenen
Nordafrika: Die Wüste schwimmt

 
  Spülbrunnen
 
 
Quelle:

Ein Spülbrunnen wird das Loch förmlich in den Boden gespült. Hier wird das Bohrloch mit einer Spezialpumpe und Spüllanze durch Wasserdruck erzeugt. Das dabei hervorgespülte Erdreich gibt Aufschluss darüber, in welcher Erdschicht man sich gerade befindet. Ist die wasserführende Kiesschicht erreicht, so ist dies in der Regel die richtige Tiefe, um einen Kunststofffilter an einer Steigleitung hinabzulassen.

Vor dem Spülvorgang sollte mit einem Erdbohrer vorgebohrt werden. Dadurch kann der Spülfilter einfacher in das Erdreich eingebracht werden. Der Spülfilter (Spüllanze) wird mit hohem Wasserdruck in die Erde gespült. Die Wassermenge und die Höhe des Wasserdrucks ist von der Art des Bodens und von seinem Verfestigungsgrad abhängig. Durch das Wegspülen der Sande und Kiese aus der Umgebung der Spülspitze wird sie weiter nach unten gedrückt werden. So rechnet man z. B. bei lockerem feinen Sand mit 4 bar Spülwasserdruck und bei festem feinen Sand mit 8 bar.

Vorteil:
- Bei vielen Bodenbeschaffenheiten ist die Spülmethode gegenüber den anderen Bohrmethoden vorteilhafter
Nachteil:
- Der Spülbrunnen im Vergleich zu anderen Brunnenbauarten teurer
 
 
  Ziehbrunnen
 
Ziehbrunnen mit Seilwinde
Die Ziehbrunnen gehören zu den ältesten Schöpfeinrichtungen. Sie erleichtern den Wassertransport aus dem Brunnenschacht. In Mitteleuropa wird eine Ziehvorrichtung verwendet, bei der ein Seil oder eine Kette auf einem kleinen Rundholz aufgewickelt wird. Die Arbeit wird durch Räder, Seile und Zugtiere (Esel, Büffel, Kamele) erleichtert. Bei größeren Wassermengen, z. B. zum Tränken von Viehherden wird das Wasser durch einen Schwingbaum, z. B. bei Brunnen im gesamten Steppengürtel Eurasiens, verwendet. Neben dem Einsatz der Hebelwirkung über den Schwingbaum erleichtern Gegengewichte die Arbeit.
Ziehbrunnen mit Schwingbaum
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  Springbrunnen
 
ich arbeite dran
 
  Schwengelpumpe
 
Handschwengelpumpe

Quelle: Wetterauer Pumpenbau GmbH

Schwengelpumpen (Kolbenpumpen) eignen sich zur Wasserförderung aus Rammbrunnen, Bohrbrunnen oder Schachtbrunnen durch Handbetrieb. Sie benötigen also keine elektrische Energie. Da diese Pumpen nicht frostsicher sind, muss das Wasser im Winter abgelassen werden.
Bei der Inbetriebnahme oder einer längeren Standzeit sollte die Pumpe mit Wasser aufgefüllt oder die Manschette in Wasser gelegt werden.
Ein Kolben, der durch eine Ledermanschette abgedichtet wird, im Inneren des Pumpenkörpers ist mit dem Schwengel verbunden. Nach dem Einfüllen von Wasser wird durch das Anheben des Schwengel öffnet sich das Einlassventil in der Pumpe und Wasser strömt aus der Saugleitung in den Pumpenkörper. Wenn der Schwengels heruntergedrückt wird, öffnet sich das Auslassventil und das Wasser strömt aus dem am Pumpenkörper integriertem Pumpenauslauf ins Freie.

Das Wasser kann aus einer Tiefe von bis zu 7 Metern angesaugt werden. Die Förderleistung von 10 bis 40 Litern pro Minute ist von der Tiefe, Kraft und Ausdauer des Bedieners abhängig.

Rammbrunnen mit Schwengelpumpe - Brunnenandi e.K

 

 

Diese Schwengelpumpe ist Bestandteil einer Anlage auf einem Spielplatz am Strand in Tönning mit der Kinder (aber auch Erwachsene) die Funktion der Pumpe und einer Archimedischen Schraube spielend kennenlernen

 

 

 

 
  Geschichte der Brunnen
 
Brauchbares Trinkwasser war schon immer die Grundlage des menschlichen Lebens. Es wurde aus Fließgewässern, Seen, Wasserlöchern oder aus Quellen entnommen.
 

Aus dem Mittelmeerraum sind Brunnen aus der Zeit um 8000 v. Chr. bekannt. So stammt z. B. der heute unter dem Meeresspiegel gelegene Brunnen von Atlit Yam (Israel) aus dem 6. Jahrtausend v. Chr. oder die ein wenig später in Mylouthkia auf Zypern angelegten Brunnen.
Ein Qanat (Khanat, Chattara, Kanat, Karez, Kenayat, Felladj, Foggara) sind horizontrale Brunnen, die im persischen, arabischen und Mittelmeerraum schon seit 2000 v. Chr. angewandt werden.

 
Die ersten Brunnen in Mitteleuropa wurden ca. 5600 und 4900 v. Chr. gebaut. Dadurch wurden die Siedlungen unabhängig von den oberirdischen Wasserstellen. Archäologen haben in Sachsen-Anhalt einen rund 7.500 Jahre alten hölzernen Kastenbrunnen aus der Jungsteinzeit freigelegt.
 

Archäologen des LVR-Amtes für Bodendenkmalpflege im Rheinland haben bei Merzenich-Morschenich (Kreis Düren) den bislang tiefsten aus der Jungsteinzeit stammenden Trinkwasserbrunnen Europas entdeckt. Hierbei handelt es sich um eine 7.100 Jahre alte Eichenkonstruktion.

 
 

Brunnenbauforum.de

Das unabhängige Brunnenbauforum für Hobbybrunnenbauer

 
Membrandruckbehälter für Brunnenwasserförderung

Ein Membrandruckbehälter wird in (fast) allen Brunnenanlagen zur Kompensierung von Druckschlägen und nicht wie die Membrandruckausdehnungsgefäße in Heizungs-, Solar- und Kühlanlagen zur Kompensierung der unterschiedlichen Volumen durch schwankende Temperaturen eingesetzt. In den Gefäßen befindet sich ein elastischer Ballon (Membran) aus EPDM oder BUTYL. Der Druckbehälter ist mit Luft oder besser mit Stickstoff gefüllt (Vordruck) und presst die Membran zusammen. Das in die Membran einströmende Wasser komprimiert den Stickstoff. Sollte sich nun der Wasserdruck durch Entnehmen von Wasser an der Zapfstelle absinken, presst das komprimierte Gas das Wasser wieder aus den Behälter. Dies vermeidet starke Druckschwankungen, die Beschädigung von anderen Bauteilen durch Druckschläge oder/und das Auslösen von Überdruckventilen (Sicherheitsventile).
Das Arbeitsprinzip bei Brunnendruckbehälter in Kombination mit mit einem Druckschalter ist, dass alles Wasser aus dem Behälter ins Leitungsnetz gepresst wird, und erst danach wird die Pumpe wieder eingeschaltet und der Vorgang wiederholt sich. Somit sollte der Vordruck der Stickstofffüllung (Vordruck) immer gleich hoch wie der Einschaltdruck der Pumpe sein. Dadurch wird eine maximale Ausnutzung des Volumens des Druckbehälters erreicht.

Um möglichst wenige Ein- und Abschaltungen der Pumpen eines Wasserversorgungssystems zu erreichen und das Wasserschlagproblem im Leitungsnetz zu verringern, sollte ein Druckbehälter installiert werden.


Die Dimensionierung des Membrandruckbehälters sollte nach folgender Formel durchgeführt werden:

Quelle: GRUNDFOS GMBH

 

Quelle: Bosswerk GmbH & Co. KG / Besler Makina Ltd.
 
  Auch zur Nutzung der Geothermie werden verschiedene Brunnen eingesetzt.
  Förder-(Saug-) und Schluckbrunnen
 
Die Grundlage für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe (W-W-WP) ist das Grundwasser, da dieses geringe Temperaturschwankungen ( 7 bis 12 °C) hat. Dadurch ist auch ein monovalenter Betrieb möglich. Diese Anlagen sind grundsätzlich durch die "Untere Wasserbehörden" genehmigungspflichtig.
 
Diese Anlagen benötigen einen Förderbrunnen bzw. Saugbrunnen und einen Schluckbrunnen. Für einen einwandfreien Betrieb ist eine bestimmte Wassermenge (Heizleistung der Wärmepumpe) mit brauchbarer Qualität und passender Temperatur notwendig.
 
Die Erschließung und der Wartungsaufwand dieses Systems ist gegenüber den Sole- und Luft-Wärmepumpen groß und es sind erhebliche Baumaßnahmen für den Förder- und Schluckbrunnen, Rohrleitungssystem, Brunnenkopf und Brunnenpumpe notwendig. Wenn die Wasserqualität nicht ausreichend ist, dann kann z.B. bei zu viel Eisen und Mangan in Grundwasser eine Verockerung der Brunnenanlage auftreten, was wiederum zum Totalausfall der Wärmepumpe führen kann. Danach musste die Anlage regeneriert oder neu errichtet werden. In vielen Fällen muss ein Wärmetauscher (Systemtrennung) eingebaut werden. Diese Brunnensysteme sind nur bis Tiefen von 20 m wirtschaftlich.
 
Saug-Schluckbrunnen-Anlagen
Quelle: Innocalor - MichaeI ViernickeI
Funktionsweise:
Das Grundwasser wird dem Förderbrunnen durch eine Brunnenpumpe entnommen. Dabei muss die Brunnenleistung muss eine Dauerentnahme für den minimalen Wasserdurchfluss der Wärmepumpe gewährleisten. Das Grundwasser wird nun zur Wärmepumpe geleitet, hier wird die Wärme entzogen. Das abgekühlte Grundwasser wird dem Schluckbrunnen, welcher in Grundwasserflussrichtung hinter dem Entnahmebrunnen gebohrt wurde, wieder zugeführt. Der Schluckbrunnen muss die gleich Wassermenge aufnehmen können wie dem Förderbrunnen entnommen wird.

 

 
Offene Anlagen werden in direktem Kontakt des Wärmeträgers mit dem Erdreich betrieben, wodurch sich die effektive Wärmetauscherfläche erheblich vergrößert und nahezu verlustfrei die Temperatur des Erdreich zur Verfügung gestellt werden kann. Dazu wird über einen Förderbrunnen Grundwasser gefördert und in einen Verpressbrunnen reinjeziert. Diese Anlage sind auch als "Hot-Dry-Rockverfahren" beruht auf diesem Prinzip. Hier ist die Verpressung ausreichend großer Volumen allerdings nicht immer zu realisieren.
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Eine Sonderform der Zirkulation zwischen zwei Brunnen ist die Zirkulation zwischen zwei übereinander gelegenen Filterstrecken im "Grundwasserzirkulationsbrunnen", der auch zur Dekontamination von verseuchten Untergründen eingesetzt wird. Der Druckausgleich in einem solchen System und andere konstruktive Merkmale verhindern chemische Reaktionsprozesse und Ausfällungsreaktionen.
 
GEOHIL-System im Aquifer
Geohil-Sytem
Quelle: Innocalor - MichaeI ViernickeI
Die Leistung eines Grundwasserzirkulationsbrunnen definiert sich im Wesentlichen aus der Grundwasserströmung und dem Kaliber der wassserführenden Schicht. Sie erfordert ab ca. 20 kW eine numerische Simulation zur sicheren Bestimmung der langfristigen Entzugsleistung.
Ist der Untergrund nicht stabil genug kann der Ringraum mit Kies verfüllt werden, muss dann aber durch Shunt-Rohre mit zusätzlichen Wegsamkeiten ausgerüstet werden, um den Volumendurchsatz zu gewährleisten. Gleichzeitig wird damit eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Strömungsprofil des Ringraum erzielt und damit der Wärmeeintrag gesteigert. Diese Technologie wurde unter dem Namen "Geohil" entwickelt.
Das Geohil-System hat in Erweiterung zur Standing-Column-Well eine Verfüllung des Ringraum mit einem porösen Medium, in der Regel Kies, durch den die Bohrung dauerhaft stabilisiert wird und eine Durchmischung des absinkenden Mediums, und damit optimaler Kontakt zur Bohrungswand erzwungen wird.
Der hydraulische Widerstand des Kies erfordert den Einbau von zusätzlichen Rohren, die die Rücklaufströmung begünstigen. Die Wärmeisolation des Förderrohres steigert die effektive Wärmetauscher-Länge.
Ausbau der Geohil-Energiequellen, Dimensionierung von Teufe, Bohrkaliber, Umwälzrate und Filtern sind abhängig von den geologischen Verhältnissen und trotz zahlreicher bislang gebauter Anlagen weiter in der Erforschung. Während bislang mit Erfahrungswerten projektiert wurde, forschen wir in Berlin an den Grundlagen der Wärmeübertragung in offenen Erdwärmeanlagen, Simulationsverfahren und Optimierung der Anlagenkomponenten. Quelle: Innocalor

 

 
Standing Column Well
Quelle: Innocalor - MichaeI ViernickeI
Die Standing-Column-Wells sind eine in Amerika verbreitete Form der Erdwärmetauscher-Anlagen, bei denen in einem offenen Bohroch das abgekühlte Wasser im direkten Kontakt mit dem Erdreich in die Tiefe sinkt und erwärmt durch ein zentrales Förderrohr zu Tage gepumpt wird.
Diese Bauform ist an spezielle geologische Formationen gebunden, diese muss standstabil sein und darf nicht durch Lösung oder Abrieb vom zirkulierenden Medium angegriffen werden.

Durch die hydraulische Verbindung mit dem Wasser gesättigten Erdreich kann ein Teilentzug des zirkulierenden Wassers ("bleeding") erfolgen und die Entzugsleistung gesteigert werden

 

 

 

Energetische Konzepte - Innocalor - MichaeI ViernickeI
  Grundwasser
 
Nach der DIN 4049 wird "unterirdisches Wasser" als Grundwasser bezeichnet, das die Hohlräume der Erdrinde zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegung ausschließlich oder nahezu ausschließlich von der Schwerkraft und den durch die Bewegung selbst ausgelösten Reibungskräften bestimmt wird.
Grundwasser unterliegt nur der Gravitationskraft und dem hydrostatischen Druck. Es bewegt sich (fließt) vorwiegend horizontal durch die Hohlräume der Erdrinde.
Nicht zum Grundwasser zählt das hygroskopisch, durch die Oberflächenspannung sowie durch Kapillareffekte gebundene unterirdische Wasser der ungesättigten Bodenzone (Bodenfeuchte, Haftwasser). Auch das sich vorwiegend vertikal bewegende Sickerwasser in der ungesättigten Bodenzone gehört nicht zum Grundwasser.
Die "Hohlräume der Erdrinde" sind je nach geologischer Beschaffenheit des Untergrunds: Poren (Klastische Sedimente und Sedimentgesteine wie z. B. Sand, Kies, Schluff), Klüfte (z. B. Granit, Quarzit, Gneiss, Sandsteine) oder durch Lösung entstandene große Hohlräume (z. B. Kalkstein). Man unterscheidet: Porengrundwasser, Kluftgrundwasser und Karstgrundwasser.
Grundwasser nimmt am Wasserkreislauf teil. Die Verweilzeit reicht von unter einem Jahr bis hin zu vielen Millionen Jahren. Sehr alte Grundwässer werden auch als fossiles Grundwasser bezeichnet, z. B. das unter der Sahara.
 
  Qanat - horizontraler Brunnen
 
Ein Qanat (Khanat, Chattara, Kanat, Karez, Kenayat, Felladj, Foggara) sind horizontrale Brunnen, die im persischen, arabischen und Mittelmeerraum schon seit 2000 v. Chr. angewandt werden. Sickergallerien schneiden grundwasserführende Schichten an. Mit diesen Stollensystemen wird in Gebirgsregionen arider (trockene) bis semiarider (halbtrockenen) Gebiete Grundwasser erschlossen und als Trink- bzw. Bewässerungswasser in die Siedlungsgebiete und Bewässerungsflächen geleitet. Das fließende Wasser kann auch zum Antrieb einer Wassermühle mit einem Pelton (Turbinenartiges Wasserrad) eingesetzt werden.

Qanate bestehen aus zum Teil mannshohen Sammelstollen (Freispiegelleitung, Freispiegelkanal), die, um Erosion zu vermeiden, mit geringem Gefälle (1 bis 2 %) hergestellt werden. Die Belüftung der Stollen bestehen aus senkrechten Luftschächten (in Abständen von 20 bis 200 m und bis einer Tiefe von 150 m), die während der Bauzeit auch dem Abtransport des Bodenmaterials und als Einstieg zur Reinigung der Stollen dienen. Durch den Aushub entstehen Erdhügel („Maulwurfshügel“), an denen der Verlauf des Qanats an der Erdoberfläche sichtbar ist. Die Herstellung erfolgt auch heute noch überwiegend von Hand mit einfachen Geräten (Hammer, Meißel, Ledersäcken, Seilzüge, Lot, Schlauch-Wasserwaage) und kann einige Jahrzehnte in Anspruch nehmen.

 
Wasser für die Dekapolis - Prof. Dr.-Ing. Mathias Döring
Unterirdische Bewässerungssysteme (Qanate) im Südosten Spaniens (Alamaria/Murcia) - Dietmar Roth, Horstmann-Stiftung, Brigitta Schütt, Universität Trier
Technical Excursion on Water History in Iran - FH Lübeck - Exkursionsbericht Iran 2008

 
Ein Qanat kann in Verbindung mit einem Windturm (Malqaf) oder Windfänger (Badgir) in den heißen Regionen (persischer, arabischer und Mittelmeerraum) zur Kühlung (Free Cooling) von Gebäuden eingesetzt werden.
Bei einem Windturm (Malqaf) wird die Temperaturdifferenz zwischen der nächtlichen kalten Außenluft und der warmen Innenluft genutzt. Der Kamineffekt sorgt auch ohne Wind für einen Luftaustausch durch Fensteröffnungen und Windturm. Die Masse des Gebäudes (Wände, Decken, Fußboden) werden abgekühlt.
Bei dem Windfänger (Badgir) wird bei Windanfall durch einen zweiten Lüftungskanal zusätzlich kalte Luft in das Gebäude transportiert. Der Staudruck auf der der Windrichtung zugewandten Seite (Luv) drückt die kalte Luft in das Gebäude. Liegt der statische Druck in der strömenden Luft unter dem natürlichen Luftdruck, kann die unter natürlichem Luftdruck stehende Raumluft auf der Windschattenseite (Lee) abgeführt werden.
Durch die Einbindung eines Qanats in das Lüftungssystem kann die Kühlleistung zusätzlich erhöht und auch am Tage wirksam werden. Die Außenluft wird über einen Lüftungsschacht des Qanats dem Qanatkanal zugeführt und von dort über einen Kanal in das Gebäude transportiert. Hier wird die Verdunstungskühlung (adiabatische Kühlung) wirksam, die im Qanat durch das Vorbeistreichen der Luft an der Wasseroberfläche stattfindet. Außerdem kühlt die Luft auch an den kalten Qanatwänden ab.
 
  Tiefengeothermie - Tiefenbohrung
 
Mit den Systemen der Tiefengeothermie wird die geothermische Energie über Tiefenbohrungen erschlossen und kann direkt (ohne Niveauanhebung) genutzt werden.
 
Bei der Tiefengeothermie unterscheidet man
 
Schema für eine Dublette bei der hydrogeothermischen Nutzung
Quelle: Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik
Hydrothermale Systeme mit niedriger Enthalpie (Wärmeinhalt): Hier wird die im Untergrund vorhandene Flüssigkeit direkt oder über Wärmetauscher zur Verwendung in Nah- und Fernwärmenetzen, zur landwirtschaftlichen oder industriellen Nutzung oder für balneologische (therapeutische) Zwecke verwendet. Hiebei handelt es sich um Aquifere mit heißem (> 100 °C), warmem (60 -100 °C) oder thermalem (> 20 °C) Wasser. Ab 100 °C ist auch eine Verstromung möglich.
Hydrothermale Systeme mit hoher Enthalpie (Wärmeinhalt): Hier wird die im Untergrund vorhandene Flüssigkeit direkt oder über Wärmetauscher zur Verwendung von Dampf- oder Zweiphasensystemen zur Stromerzeugung verwendet. Diese Geothermie ist in Deutschland nicht (noch) nicht vorhanden, wird aber z. B. in Island flächendeckend verwendet.
Hydrothermale Geothermie - GtV - Bundesverband Geothermie e.V.
 
Quelle: GtV - Bundesverband Geothermie e.V.

 

Petrothermale Systeme: Hier wird in der Regel die Energie, die im Gestein in drei bis sechs Kilometern Tiefe gespeichert ist, genutzt. Energie, die im tiefen dichten Gestein eines Grundgebirge vorhanden ist, wird mit der  Hot-Dry-Rock -Technik (HDR) bzw. Enhanced Geothermal System (EGS) zur Stromerzeugung verwendet. Mit geschlossenen tiefen Erdwärmesonden wird im beliebigen Gestein die Enerbie zur  Wärmeversorgung eingesetzt.
Hydraulische und chemische Stimulationsverfahren (Enhanced Geothermal Systems - EGS) erzeugen Risse und Klüfte im Gestein. Dadurch wird die Wasserdurchlässigkeit erhöht oder erst geschaffen und es entsteht ein künstlicher Wärmetauscher. Durch die Injektionsbohrung wird unter hohem Druck Wasser in das Gestein eingepresst, wo es sich erhitzt und anschließend über die Förderbohrung wieder nach oben fließt.
Petrothermale Geothermie - GtV - Bundesverband Geothermie e.V.
 
 
Temperaturkarten Deutschlands unterschiedlicher Tiefen - Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik
 
 
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