Unter Erdwärmekollektoren
versteht man flache, oberflächennahe Erdwärmenutzungssysteme,
die in Tiefen bis 5 m die "Erdwärme"
nutzen. Das gilt auch für erdberührte Betonbauteile,
die als Teil eines Bauwerks horizontal oder vertikal Energie entnehmen oder abgeben.
Zur Regeneration des Erdspeichers können auch Sonnenkollektoren
in das System mit eingebunden werden. Die einzelnen Sondenkreise der
Erdwärmekollektoren haben meist eine Rohrlänge zwischen 100
m und 150 m. Der Wärmeentzug erfolgt generell unterhalb der Frostgrenze
ab 1 m unter Geländeoberkante. Erdsonden entziehen
die Wärme aus Tiefen von 60 – 100 m.
Beide Systeme werden mit einer Kühlflüssigkeit
(Mischungen aus Wasser und Alkoholen [Glykole])
betrieben.
 Vor bzw. bei der Planung der Nutzung von Erdwärme müssen auf jeden Fall die rechtlichen Vorgaben des Vorhabens beachtet werden. Viele Behörden verlangen ein Protokoll einer Druckprüfung bzw. Dichtheitsprüfung (z. B. Kontraktionsverfahren).
Zur Regeneration des Erdspeichers können auch Sonnenkollektoren in das System
mit eingebunden werden. Die einzelnen Kreise der Erdwärmekollektoren haben eine Rohrlänge zwischen
100 m und 150 m. Der Wärmeentzug erfolgt generell unterhalb der Frostgrenze ab 1 m unter Geländeoberkante.
Die Erdkollektoren können zum Heizen und Kühlen verwendet werden und sollten aus energetischen Gründen
nicht überbaut werden. Die höchsten Entzugsleistungen haben sie beim Einbau in feuchtes wasserspeicherndes
Erdreich bzw. in Erdschichten mit durchströmtem Oberflächen- bzw. Niederschlagswasser. Tiefenbedingt haben sie jedoch
keinen direkten Kontakt zum Grundwasser. Geringe Entzugsleistungen zeigen sich durch die geringe Wärmeleitfähigkeit
in trockenem (wasserfreien) Erdreich. |
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Rechtliche Vorgaben
Die Genehmigungserfordernisse zur Errichtung einer geothermischen Anlage unterscheiden
zwischen oberflächennaher Geothermie und Tiefengeothermie. Vor bzw. bei der
Planung der Nutzung von Erdwärme müssen auf jeden Fall die rechtlichen
Vorgaben des Vorhabens beachtet werden.
- Baugenehmigung
- Wasserrechtliche Genehmigung
- Bergrechtliche Bewilligung
Baugenehmigung
Für die Verlegung von oberflächennahen Erdwärmekollektoren ist keine Genehmigung notwendig,
aber eine Anzeige bei den Behörden ist zwingend erforderlich. Für den jeweiligen Einzelfall muss überprüft
werden, ob eine Benutzung im wasserrechtlichen Sinne vorliegt. Informationen sind vom zuständigen Landrats- oder Wasserwirtschaftsamt einzuholen, welches
gegebenenfalls eine wasserrechtliche Genehmigung erteilt.
Erdwärmesonden werden in der Regel bis zu einer Tiefe von 100 m
eingebracht, teilweise auch bis in Tiefen von 250 Metern. Da die Bohrungen mehrere Bodenschichten, unter anderem auch die Grundwasserschicht, durchdringen,
muss vor der Planung einer Erdwärmesonde die Bodenbeschaffenheit, Schichtenfolge des Bodens und die Grundwasserverhältnisse ermittelt werden. Ab einer Bohrtiefe
von 100 Metern ist die Anlage gemäß Bundesberggesetz anzeigepflichtig und ein bergrechtliches Verfahren im Rahmen der
Genehmigung durchzuführen. Für jede Bohrung besteht eine Anzeigepflicht bei der zuständigen Kreisverwaltungsbehörde.
Aufgrund der Erschließung der Grundwasserschicht kann in speziellen Fällen auch ein wasserrechtliches Erlaubnisverfahren notwendig werden.
Für die Nutzung von Grundwasser sind die allgemeinen Voraussetzungen eine ausreichende Verfügbarkeit von
Grundwasser in erreichbaren Tiefen und genügend Platz für einen hinreichenden Abstand der Brunnen (min. 20 m), um einen thermischen Kurzschluss zu vermeiden.
Außerdem ist eine genaue Analyse des Grundwasservorkommens, der wasserführenden Schichten und der Wasserqualität
notwendig, da die Brunnenalterung und die Korrosion einzelner Komponenten direkt mit dem Mineralgehalt und den chemischen Bestandteilen des Grundwassers zusammenhängen.
Außerdem ist die Nutzung nicht überall erlaubt und erfordert in jedem Fall eine wasserrechtliche Erlaubnis, welche bei der zuständigen Kreisverwaltungsbehörde
zu beantragen ist.
Wasserrechtliche Genehmigung
Bei der Errichtung von oberflächennahen Erdwärmekollektoren muss vorher geklärt werden, ob eine
Gewässerbenutzung im Sinn des § 3 WHG vorliegt. In der Regel liegt bei diesen Anlagen keine Grundwasserförderung vor, also scheidet eine Gewässerbenutzung
aus. Eine wasserrechtliche Genehmigung kann jedoch aufgrund eines Benutzungstatbestands gem. § 3 Abs. 2 Ziffer 2 WHG gegeben sein. Danach gelten als Benutzung auch
Maßnahmen, die geeignet sind, schädliche Veränderungen der physikalischen, chemischen oder biologischen Beschaffenheit des Wassers herbeizuführen. Derartige Veränderungen
können aber nur bei Bohrarbeiten im Rahmen der Errichtung der Anlage sowie beim Betrieb durch die mit dem Wärmeentzug verbundene Temperaturänderung des Grundwassers ergeben.
Aber bei der Errichtung dieser Anlagen kann eine wasserrechtliche Genehmigung notwendig werden, weil gem. § 35 Abs. 1 WHG die Länder bei Erdaufschüben, die
über eine bestimmte Tiefe in den Boden eindringen, zu bestimmen haben, dass die Arbeiten überwacht werden, soweit es die Ordnung des Wasserhaushaltes erfordert. Leider haben
die Länder nicht geregelt, ab welcher Tiefe eine Überwachung erfolgen muss. Die Überwachung setzt dabei auch eine Anzeigepflicht voraus, die es den Behörden ermöglicht, die Wirkung
der Arbeiten auf den Wasserhaushalt zu prüfen.
Bei der Tiefengeothermie greift in der Regel das Wasserhaushaltsgesetz, weil die Anlagen erwärmtes
Wasser aus der Tiefe pumpen. Aber auch wenn ohne eine derartige Verfahrensweise die Erdwärme in erheblichem Umfang genutzt wird, wird regelmäßig ein Benutzungstatbestand
im Sinne von § 3 Abs. 2 Ziffer 2 WHG gegeben sein, da eine entsprechende Temperaturveränderung des Grundwassers die Folge ist. Weiterhin können
wasserrechtliche Anordnungen getroffen werden, wenn aus dem Bau der Anlage ein unbeabsichtigtes Erschließen des Grundwassers resultiert (§ 35 Abs. 2 WHG). In diesem Fall kann die Beseitigung
der Erschließung angeordnet werden, wenn es die Rücksicht auf den Wasserhaushalt erfordert. Der § 35 Abs. 1 WHG findet im Rahmen der Tiefengeothermie grundsätzlich keine Anwendung, da
insofern die regelmäßig einschlägigen Vorschriften des Bundesberggesetzes vorrangig sind. Bergrechtliche Bewilligung
Für oberflächennahen Erdwärmekollektoren ist eine bergrechtliche Bewilligung nach § 4 Abs. 2 Nr. 1 BBergG
nicht erforderlich. Das gilt, wenn die Anlage nur auf einem Grundstück betrieben und die gewonnene Energie auch nur auf diesem Grundstück genutzt wird.
Bei der Nutzung der Tiefengeothermie wird grundsätzlich eine bergrechtlichen Bewilligung (§ 8 BBerG) notwendig.
Eine Ausnahme vom grundsätzlichen Bewilligungserfordernis gemäß § 4 Abs. 2 Ziffer 1 BBergG scheidet danach aus.
Erdwärmekollektoren ohne Kontakt zum Grundwasser und außerhalb von Wasserschutzgebieten werden
als flache Erdaufschlüsse anzeigefrei errichtet. Materialauswahl und Herstellung unterliegen grundsätzlich den allgemein anerkannten Regeln der Technik.
Der Bodeneingriff ist vergleichbar mit der Errichtung eines unterkellerten Gebäudes. Bei geringen Grundwasserflurabständen kann dies zu einem Eingriff ins Grundwasser
führen, der anzeigepflichtig ist und eine wasserrechtliche Erlaubnis erfordert (§ 3 Abs. 1 Nr. 5 und Abs. 2 WHG).
Die unvorhergesehene Erschließung (unbefugt oder unbeabsichtigt) von Grundwasser hat der Unternehmer der Wasserbehörde unverzüglich
anzuzeigen und die Arbeiten, die zur Erschließung geführt haben, einstweilen einzustellen. Die Wasserbehörde trifft die erforderlichen
Anordnungen (§ 37 Abs. 4 WG und § 35 Abs. 2 WHG).
In Wasser- und Heilquellenschutzgebieten gilt die jeweilige Schutzgebietsverordnung. Geothermische Anlagen sind
nach § 19 Abs. 2 WHG in Verbindung mit der jeweiligen Schutzgebietsverordnung
in den Wasserschutzgebietszonen I und II und in wasserwirtschaftlichen Vorrangflächen.
In den Zonen III/ IIIA/ IIIB
der Wasser- und Heilquellenschutzgebiete und in wasserwirtschaftlichen
Vorbehaltsflächen können Erdwärmekollektoren unter bestimmten
Voraussetzungen zugelassen werden.
(Alle Angaben ohne Gewähr) |
Die Regelungen bzw. Vorschriften können in verschiedenen
Bundesländern unterschiedlich sein.
Leitfäden
aller Bundesländer zur Nutzung von Erdwärme
Geologische Dienste und Infosysteme der Bundesländer
Rechtliche Vorgaben bei der Errichtung von geothermischen Anlagen |
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| Flächenkollektor |
Quelle:
Max-Planck Institut IPP, Foto: Prof. Dipl.-Ing. Werner Schenk |
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| Kompaktabsorber |
Quelle:
Berning, Fa. Elektro-Schulten |
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| Spiralkollektor |
Quelle:
www.betatherm.info |
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| Grabenkollektor |
Quelle:
www.sbk-neuenstein.de |
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die
neue Wärmequelle Terra Q600
(Boden-Klima-Tauscher) |
Quelle:
systemhaus-energie
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Beim
Flächenkollektor wird der gesamte
Oberboden bis auf die gewünschte Einbautiefe abgeschoben.
Auf dem entsprechend vorbereiteten Untergrund werden ähnlich
einer Fußbodenheizung PE-Rohr-Schlingen ausgelegt
und fixiert. Die Rohrenden werden in einem Sammelschacht,
getrennt als Vor- und Rücklaufleitungen mit speziellen
Armaturen zusammengefasst. Danach werden die PE-Schlingen
wieder mit Erdreich überdeckt. |
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Kompaktabsorber
sind eine Variante des Flächenkollektors, diese bestehen
aus vorgefertigten polymervernetzten Kapillarrohrmatten.
Das System arbeitet nach dem Low-flow-Prinzip, also mit
einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit, wodurch ein
optimaler Wärmeentzug aus dem Erdreich gewährleistet
werden soll. Im Vergleich zu den konventionellen Flächenkollektoren
soll der Flächenbedarf für den Kompaktabsorber
geringer sein.
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Der Spiralkollektor
ist für den flächigen und grabenförmigen
Einbau geeignet. Der Unterschied liegt lediglich in der
Form der Kollektorleitung. Wie der Name es schon vermuten
lässt, verlaufen die Leitungen in horizontalen Spiralen.
Dieser Verlauf wird erzielt, in dem die gewickelte Kollektorleitung
senkrecht auf dem präparierten Untergrund aufsetzt
und seitlich (senkrecht zur Wickelachse) die Spirale so
auseinander zieht, dass sich die Windungen jeweils überlappen.
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Für den Grabenkollektor
wird ein Graben mit schrägen Wänden ausgehoben,
der bis über 3 m tief sein kann. An dessen Wandflächen
werden PE-Rohre in einem Abstand von ca. 10 cm horizontal
verlegt und fixiert. Danach wird der Graben wieder verfüllt.
Eine neue Art von Grabenkollektor ist die senkrechte Variante,
der in eine 3 m tief gefräste Rinne eingebaut werden. |
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Ringgrabenkollektor - Slinky-Verlegung
Quelle: RGK e.U. |
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Der Ringgrabenkollektor setzt sich für die Nutzung von Erdwärme in Verbindung mit einer Wärmepumpe immer mehr durch. Er ist eine effiziente und günstige Variante gegenüber Flächenkollektoren oder Erdwärmesonden. Zur Verlegung von Flächenkollektoren
ist eine großflächige Abtragung der Grundstückfläche erforderlich.
Für Erdsonden muss eine aufwendige und teure Bohrung bis zu 100 m Tiefe vorgenommen werden. Als günstige
Alternative bietet der Ringgrabenkollektor mit einer vergleichsweise geringer Erdbewegung die Möglichkeit der Eigenleistung. So können z. B. für ein Einfamilienhausneubau die Kosten der Erdwärmepumpenanlage inklusive Ringgrabenkollektor unter 12.000 Euro liegen. Dabei müssen aber unbedingt die Vorschriften der Arbeitsicherheit für den Grabenbau beachtet werden.
Technisch gesehen ist ein Ringgrabenkollektor ein Flächenkollektor in Grabenform mit einer Slinky-Verlegung (in Schlaufen übereinander liegend verlegt) der Rohre auf dem Grabenboden (oder auch
in schräger oder senkrechter Anordnung) und turbulenter Strömung (Verwirbelung der Kühlflüssigkeit im Rohr).
mehr > Ringgrabenkollektor |
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Beispiel eines Ringgrabenkollektors
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| Der einfache
Energiezaun kann in Form eines Gartenzaunes an der Grundstücksgrenze
oder als masssiver Begrenzungszaun bzw. Geländer
aufgestellt werden. Der Zaun eignet sich auch als Ergänzung
zu einem Flächenkollektor,
eines Wärmekorbes
oder/und einer Erdwärmesonde. |
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| Solekollektorzaun |
| Quelle:
effidur GmbH |
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Der Solekollektorzaun
(Energiezaun) ist eine massive, hochwertige, ortsübliche
Einfriedung Ihres Grundstücks.
Die massiven Säulen,
welche sowohl als Durchgangssäule, Innen- und Außenecke
sowie als Befestigungssäule für Tore verfügbar
sind, dienen nicht nur dem Schutz vor un- befugtem Zutritt sondern
erfüllen zugleich die Funktion eines Kollektors
für Sole-Wasser-Wärmepumpen.
Die spezielle geometrische Gestaltung
erlaubt einen maximalen Soledurchsatz bei geringem Strömungswiderstand
und aufgrund der sehr hohen Oberfläche der Zaunfelder eine
maximale Entzugsleistung.
Genormte und aufeinander abgestimmte
Formelemente erlauben die Montage des Zaunes selbst im Einmannbetrieb
in kürzester Zeit. Die Konstruktion der Zaunfelder sichert
höchste Stabilität bei gleichzeitig minimalem Gewicht.
Eine Wasser- bzw. Soleführung ist von außen nicht erkennbar.
Ansatzfrei eingeschraubte Edelstahlanschlüsse dienen sowohl
der Befestigung als auch Soleverbindung der Zaunfelder.
Das Schnellmontagesystem wird durch
Langlöcher mit Kippsicherung und der Möglichkeit des
Ausgleichs von Unebenheiten erreicht. Die werkseitig vorgefertigten
Zaunfelder werden dabei nur in die Säulen eingehangen. Nach
Ausrichten und Befestigen der Säulen werden je nach Flussrichtung
der Sole die mitgelieferten Verbinder in die Säulen geklemmt
und die Säulen verschlossen. Dabei werden die Zaunfelder
dauerhaft und sicher fixiert. Verschraubungen, Gewindeansätze
oder auch nur Angriffspunkte für Vandalen sind äußerlich
nicht erkennbar. Quelle: effidur
GmbH
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Richtig geplant kann ein Energiezaun
in Verbindung mit einem Grabenkollektor die
gesamte Heizlast eines Gebäudes abdecken.
Der Energiezaun
besteht aus übereinander verlaufenden Absorberrohren,
die wechselseitig an Pfählen vorbeigeführt werden.
Besonders gut eignen sich Wellschläuche,
da durch die vergrößerte Oberfläche
und der turbulenten Strömung die Wärmeaufnahme
gegenüber Glattrohren mit laminarer Strömung besser
ist.
Der oberirdische Teil des Zaunes
kann begrünt werden, was aber die Sonneneinstrahlung verringert. |
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| Energiezaun |
Quelle:
Schlemmer ecotech |
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| Grabenkollektor |
Quelle:
Schlemmer ecotech |
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Der Energiezaun arbeitet
wie ein Sonnenkollektor. Er nimmt Sonnenenergie
auf und erwärmt hiermit das Solesystem.
Die Wärme wird in einen Grabenkollektor, der letztendlich
ein unterirdischer Energiezaun ist, abgegeben. Diese Puffermöglichkeit
ermöglicht auch einen Betrieb der Anlage in den Nachtstunden
und besonders kalte und bedeckte Tage. Die Quellentemperatur liegt deutlich
höher als die tatsächliche Außentemperatur. Durch den
Solargewinn kann die Anlage deutlich wirtschaftlicher
als eine Luft-Wasser-Wärmepumpe sein, da diese nur die vorhandene
Außentemperatur, die eine deutlich kältere Quelle ist, nutzen
kann. Dies trifft auch für die Nacht und an kalten Tagen zu, da
die Erdreichtemperatur auch bei einem entladenen Speicher wärmer
ist als die Außenluft. |
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Quelle: Schlemmer ecotech |
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Als Nachteil
dieser Zäune wird die Gefahr des "Festfrierens"
besonders von Kindern und Haustieren
aufgrund der niedrigen Oberflächentemperaturen
im Winterbetrieb angesehen. Hier sind evtl. besondere
Schutzmaßnahmen notwendig. |
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Buschbeck-Massivabsorber
Massivabsorber-Modul
Quelle: Buschbeck GmbH
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Die modularen
Hochleistungs-Massivabsorber (Energie-Stelen)
ermöglichen die Nutzung von Luft
und Sonnenlicht zur Gewinnung von Wärme.
Ein Modul mit einer Länge von 1,2 m besteht
aus jeweils 3 Energie-Stelen (Höhe 1,2 m).
Es verfügt über eine Gesamtoberfläche von 5,4 m2.
Sie bilden eine hoch effiziente und
kostengünstige Alternative zu den herkömmlichen
Erdkollektoren oder Erdbohrung
für Wärmepumpen.
Das Energiegewinnungsprinzip der
modularen Hochleistungs-Massivabsorber ähnelt
dem der Luftwärmepumpen. Die Massivabsorber arbeiten jedoch
absolut geräuschlos. Entscheidend ist jedoch
der deutlich bessere Wirkungsgrad der Energie-Stelen.
Im Gegensatz zu Luftwärmepumpen werden die
Massivabsorber vom Sonnenlicht abgetaut. Zusammen
mit einer Optimierung des Komplettsystems werden
so hohe Wirkungsgrade bzw. Leistungszahlen
erzielt.
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Die Wärmeleitfähigkeit von
Beton im Vergleich mit anderen Stoffen
Quelle: Henrich Schröder GmbH |
Energiewand
Die Energiewand
ist ein Massivabsorber, der sich an milden
und sonnigen Tagen erwärmt und Energie speichert. Dadurch
wird die Wärmepumpe mit einer hohen
Quellentemperatur versorgt und gleichzeitig gibt der
Massivabsorber einen Teil der Wärme an das Erdreich ab,
das sich ständig regeneriert und zusätzlich
ein Wärmevorrat anlegt. Die gespeicherte
Wärme im Massivabsorber und im Erdreich sorgt an besonders
kalten Tagen für die volle Energieversorgung der Wärmepumpe.
Durch einen guten Wärmeübergang
vom Beton zum Absorberrohr
wird die Umweltwärme an normalen Wintertagen
(0 und 5 °C Außentemperatur) möglichst verlustfrei
(also ohne große Temperaturdifferenzen) zur Wärmepumpe
transportiert. Während der Stillstandszeiten
der Wärmepumpe lädt sich der Massivabsorber
wieder mit Wärme aus der Umgebung auf
und speichert diese wie ein Pufferspeicher.
Genauso wie bei der
Betonkernaktivierung enthält der
Absorber ein PE-Rohr, das
direkt einbetoniert wird und für einen
guten Wärmeübergang sorgt. Die hohe
Wärmeleitfähigkeit von Beton
wirkt temperaturausgleichend, so dass nur geringe
Spannungen im Bauteil auftreten. Die Spannungen durch
Sonneneinstrahlung in normalen Betonbauteilen sind deutlich
höher. Die Rohrleitungen in den Massivabsorbern
haben eine Lebenserwartung von deutlich mehr
als 50 Jahren, so dass keine Folgeinvestitionen
an der Wärmequelle zu erwarten sind.
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Funktionsweise der Energiewand
Quelle: Henrich Schröder
GmbH |
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Erdwärmekörbe sind üblicherweise kegelförmig gewickelte Erdwärmesonden.
Die Körbe haben in der Regel eine Höhe zwischen
ca. 1 und 3 m, der obere Durchmesser liegt bei ca. 2 m.
Die Sondenlänge variiert je nach Korbgröße
zwischen 100 und 300 m. Die Körbe können einzeln
oder in gleichgroße Gruppen zusammengefasst werden. In der Einbautiefe der Erdwärmekörbe herrscht auch im Winter in 1 bis 5 m Tiefe noch eine Temperatur von ca. 5 °C, die mit einer Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt werden kann. |
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Quelle: BetaTherm GmbH & Co. KG |
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Für den Einbau der Körbe wird ein ausreichend dimensioniertes Loch ausgehoben, der Korb darin eingebracht und anschließend das Loch wieder verfüllt. Eine optimale Anbindung der PE-Leitungen mit dem wiederverfüllten Erdreich erreicht man durch das Einschlämmen des Bodens mit Wasser.
Im Vergleich zu Luft-Wärmepumpen haben Sole-Wasser-Wärmepumpen eine deutlich längere Lebensdauer, weniger Energieverbrauch (Strom) und niedrigere Betriebskosten. Außerdem sind im Gegensatz zu den Luft-Wärmepumpen die Erdwärmekörbe und Sole-Wasser-Wärmepumpen von außen nicht sichtbar und es entstehen keine Geräuschemissionen.
Vorteile:
• Einfache Genehmigungsverfahren
• relativ geringer Flächenbedarf
• Gleichmäßiger Wärmeentzug aus einer Tiefe von 1 – 5 m
• Regeneration des Bodens
• Auch für Kühlung geeignet
• Gärtnerische Nutzung bleibt möglich
• Einbau ist auch in Wasserschutzgebieten unter Auflagen meist möglich
• viel Eigenleistung möglich |
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AquaGeoKollektor |
Quelle:
Wavin GmbH |
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Die Hauptbestandteile
des AquaGeoThermie-Systems sind der AquaGeoKollektor und
eine Sole-Wärmepumpe. Die Kollektorrohre befinden sich
in einer wasserdichten Wanne, in der das Erdreich über
zugeführtes Regenwasser feucht gehalten wird. Überschüssiges
Regenwasser wird abgeführt und versickert. Eine Drainage
in Verbindung mit einer Anstauvorrichtung sorgt für
den dosierten Abfluss des durch den Wärmeentzug abgekühlten
Regenwassers. |
Durch die gezielte
Zufuhr von Regenwasser wird kontinuierlich
Energie in das Kollektorfeld eingetragen. So wird die spezifische
Entzugsleistung deutlich erhöht. Der Vorteil: Der Kollektor
kann im Vergleich zu herkömmlichen Flächenkollektoren
deutlich kleiner bemessen werden und ist somt für kleine
Grundstücke geeignet. |
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Schema-AquaGeoThermie |
Quelle: Wavin GmbH |
GEOCOLLECT ERDWÄRME-ABSORBER -GeoCollect GmbH
Elwa AquaGeoThermie
Erdwärmekollektor und Regenwasser-Versickerungs-Anlage kombiniert
Versickerungsanlagen |
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Eis-Energiespeichersystem |
Die wichtigste Wärmequelle eines Eisspeichersystems ist ein unterirdischer Eisspeicher, in dem Wasser kontinuierlich gefroren und wieder aufgetaut wird und einer Sole/Wasser-Wärmepumpe. Durch die Kombination kann sie nicht nur dem Erdreich Wärme entziehen, sondern auch dem Wasser und der Umgebungsluft. Eis-Energiespeicher-Systeme werden vor allem in Gebäuden mit hohem Wärme- und/oder Kältebedarf, besonders gewerbliche und kommunale Zwecke (Fernwärme, Fernkälte) sowie Baugebiete mit Einfamilienhäusern (z. B. Nahwärme) eingesetzt.
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Beispielhafte Darstellung eines Eis-Energiespeichersystems
Quelle: Viessmann Climate Solutions SE
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Eisspeicher - Eigenbau
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Die Speicher bzw. Zisternen sind meistens aus Beton, aber auch aus Kunststoff, und nicht gedämmt. Sie werden ca. ein bis vier Meter tief in der Erde vergraben. Dadurch nutzen sie am besten die Temperaturunterschiede der Jahreszeiten aus. Sie nutzen den Phasenübergang von flüssigem Wasser zu festem Eis und umgekehrt (latente Wärme). Deswegen gehören sie auch zu der Gruppe der Latentwärmespeicher.
In der Zisterne befinden sich große Spiralen aus Leitungen, in denen eine frostsichere Flüssigkeit (Sole / Wasser-Glykol-Gemisch) zirkuliert. Diese Spiralen teilen sich in einen Entzugswärmetauscher und einen Regenerationswärmetauscher auf. Wenn alle Leitungen sowie Ab- und Zuflüsse installiert sind, wird die Zisterne mit Wasser gefüllt, das dann als Energielieferant dient.
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Das Eis-Energiespeichersystem gewinnt Energie von der Sonne (Thermische Solaranlage, PVT-Kollektor), der Luft (Solar-Luftkollektor) und dem Erdreich (Eisspeicher). Die wird mit niedriger Temperatur in einen unterirdischen Behälter (Eisspeicher) eingespeist.
Eine Wärmepumpe entzieht dem Eisspeicher oder direkt den Solar-Luftabsorbern und/oder PVT-Kollektoren die Wärme und verdichtet sie auf eine höhere Vorlauftemperatur zum Heizen des Gebäudes.
Durch den Entzug der Wärme aus dem Eisspeicher vereist das System. Beim Phasenübergang von 0 °C kaltem Wasser zu 0 °C kaltem Eis wird Kristallisationsenergie freigesetzt. Darin steckt so viel Energie, wie benötigt wird, um Wasser von 0 °C auf 80 °C zu erwärmen und umgekehrt. Durch das gezielte Wechselspiel aus Wärmeentzug und Regeneration kann der Gefrierprozess innerhalb einer Heizperiode mehrmals wiederholt werden, wodurch die Kristallisationsenergie nahezu unbegrenzt nutzbar wird.
Gefriert Wasser zu Eis, geschieht dies in der Natur von außen nach innen. Im Viessmann Eis-Energiespeicher wird dieser Prozess durch die spezielle Anordnung des Wärmetauschersystems umgekehrt. Das Wasser gefriert von unten nach oben und von innen nach außen. Dadurch wirken auf die Speicherkonstruktion keine Kräfte.
Das Eis-Energiespeichersystem kann im Sommer zur kostenlosen natürlichen Gebäudekühlung eingesetzt werden ("natural cooling") eingesetzt werden. Nachdem das Wasser im Speicher zum Ende der Heizperiode normalerweise vereist ist, wird dem Eisspeicher im Sommer Kälte entzogen. Auch direkt über die Solar-Luftabsorber können im Sommer nachts niedrige Außentemperaturen genutzt werden, um das Wasser im Speicher oder im Heizkreislauf selbst abzukühlen. Dadurch lässt sich der Zeitraum für "natural cooling" mit kostenloser Kühlenergie deutlich verlängern. Falls das natürlich gebildete Eis oder Energie aus den Solar-Luftabsorbern nicht ausreicht, kann im "active cooling"-Betrieb direkt über die Wärmepumpe gekühlt werden. |
Die Abmessungen des Eisspeichers werden nach der jeweiligen Leistung individuell berechnet. Das Wärmetauschersystem sorgt für kontrolliertes Einfrieren. Kaum ein anderes Energiesystem ist so attraktiv wie ein Eisspeicher.
Vorteile
• CO2 -freie Energieerzeugung
• Nutzung erneuerbarer Energien (Umgebungs-, Sonnen- und Erdwärme)
• Speichermedium Wasser ist ökologisch völlig unbedenklich
• Für den Eisspeicher ist keine Genehmigung erforderlich
• Keine Gefahr für das Grundwasser durch hermetische Versiegelung des Eisspeichers
• keine Wärmedämmung für den Speicher
• Laufender Betrieb sehr günstig
• Alleinstellungsmerkmal im Bereich erneuerbarer Energie
• Hohe Wirtschaftlichkeit durch die Nutzung der Kristallisationsenergie
• Gleichzeitiges Heizen und Kühlen
• Umweltfreundliches und klimaschonendes Heizsystem
Nachteile
• Relativ hohe Anschaffungskosten im fünfstelligen Eurobereich
• Ausreichend Platz für den Eisspeicher auf dem Grundstück notwendig
• Für den Betrieb der Wärmepumpe muss in der Regel Strom zugekauft werden, wenn keine Photovoltaikanlage möglich ist
• Risiko von technischen Problemen, infolge des Aufwands sowie der Komplexität des Gesamtsystems
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Eisspeicher – Aufbau, Funktion, Vorteile und Fördermöglichkeiten
Viessmann Climate Solutions SE
Eis-Energiespeicher – die innovative Energiequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen
Viessmann Climate Solutions SE
Eisspeicher: Energie, die aus der Kälte kommt
Dominik Hochwarth, VDI Verlag GmbH
Eisspeicher
Dr. Rüdiger Paschotta, RP-Energie-Lexikon
Eis-Energiespeicher in Rendsburg
Video - Heiko Lüdemann, Viessmann Eis-Energiespeicher GmbH |
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Naturwärmespeicher
Quelle: Max Bögl Wind AG |
Im Wasser (und im Eis) kann viel Energie gespeichert werden.
Der Naturwärmespeicher (auch Eisspeicher genannt) dient als Wärmequelle für modulierende Sole-Wasser-
Wärmepumpen (SW-WP). Er nutzt kurzzeitig wärmere Umgebungsluft und lädt damit einen integrierten Latentwärmespeicher.
Den Naturwärmespeicher gibt es in Brunnenform, der hauptsächlich als Energiequelle für Ein- und
Mehrfamilienhäuser eingesetzt wird. Für größere Bürogebäude und Produktionshallen leistet er inform eines
Teiches bis zu 640 kW. |
Zonen des Naturwärmespeichers
Quelle: Max Bögl Wind AG |
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Obere Zone - Powerfroster
Der kleine und reaktionsschnelle Tagesspeicher ist eine kindersicher gestaltete
Wasserfläche mit Eisbildung und Solareintrag.
Mittlere Zone - Luftbecken
Der Luftwärmetauscher ist mit einem besonders leistungsfähigen Ventilator ausgestattet.
Dieser speziell entwickelte FlüsterLüfter arbeitet wesentlich leiser als vergleichbare Geräte.
Untere Zone - Seebecken
Der Wochenspeicher ist die unsichtbare Vorratskammer des Naturwärmespeichers. In ihm
bildet sich Blockeis, so dass auch mehrere Tage unter 0 °C der Heizungsanlage nichts anhaben können. |
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Der Naturwärmespeicher schwimmt in einem attraktiv
gestalteten Gewässer (Brunnen, Teich, See). Dank seines Gewichtes bleibt er immer stabil, auch
wenn Sie ihn betreten. Das Wasser speichert die höchsten oder die niedrigsten Temperaturen eines Tages. So wird
die Quelle im Winter wärmer und im Sommer kälter. Das steigert die Effizienz und macht die Umweltenergie wirtschaftlich
attraktiv.
Dank des leistungsstarken Lüfters kann der Außenluft
in den wärmsten Stunden eines Tages viel Energie entnommen werden, die direkt verbraucht
und eingespeichert wird. Sein spezielles Design und die großzügige Luftführung ermöglichen einen
nahezu lautlosen Betrieb, damit Sie sich auch weiterhin gut mit Ihren Nachbarn verstehen.
Der Eisspeicher hat eine Kapazität für mehrere Tage. Er ist modular aufgebaut
und besteht aus einem größeren Speicher im unteren Bereich und dem Powerfroster.
Dessen Speicherkapazität reicht für einen Tag und macht den Naturwärmespeicher flexibel und reaktionsschnell. Es reichen
meistens kurze Wärmephasen, um den Speicher immer wieder aufzuladen und das Eis abzutauen.
Quelle: Naturspeicher.de |
Naturwärmespeicher - Max Bögl Wind AG
Verschiedene Naturwärmespeichermodelle - Metternich Haustechnik GmbH
alterra und Naturwärmespeicher - ait-deutschland GmbH / Naturspeicher GmbH
Naturwärmespeicher erhöht die Effizienz einer elektrischen Heizung
- pv magazine group GmbH & Co. KG
Ein Gartenteich als innovativer Naturwärmespeicher - Christiane Bracht, Dachau
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Bohrarbeiten |
Quelle:
Brunnenbau Hartmann |
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Quelle:
Fa. Systherma GmbH |
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Vergleich Terra-Wärmesonde |
Quelle:
Terra Umweltwärmesonde GmbH |
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Eine andere Art
von "Kollektor" ist die "Erdwärmesonde"
(EWS) . Dieser Erdwärmeentzug fällt aber in den
Bereich "Tiefengeothermie". und unterliegt besonderen
Vorschriften. |
Die besondere Konstruktion
z. B. der Terra-Umweltwärmesonde besteht
darin, dass das von der Wärmepumpe entwärmte Medium
nahezu ohne Wärmeaufnahme den Sondenfuß erreicht.
Während die hydraulischen Querschnitte der auf- und
absteigenden Rohrleitungen gleich sind, bieten die aufsteigenden
Rohrleitungen zur Wärmeaufnahme ein etwa 2 ½
größere Oberfläche. |
Das ermöglicht
eine größere Wärmeaufnahme und dadurch kann
bei gleicher Bohrtiefe (wie bei der handelsüblichen
Doppel-U- Sonden) die Vor- und Rücklauftemperatur soweit
angehoben werden, dass die Sonde im positiven Temperaturbereich
gefahren werden kann. |
Bei der Terra-Umweltwärmesonde
verläuft die absteigende Flüssigkeit in einem
isolierten zentralen Rohr. Die geothermische Wärme
wird daher von den aufsteigenden Satellitenrohren auf der
gesamten Sondenlänge aufgenommen. Um die Unterschiede
der Wärmeübertragung in den Sonden zu verdeutlichen,
wird in der Abbildung der Wärmefluss durch die roten
Pfeilen dargestellt. |
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CO2-Diffusion
Die meisten Erdwärmesonden sind aus
PE-Rohren hergestellt. Dieser Kunststoff
hat sich aufgrund seiner guten Verarbeitbarkeit und seiner
dauerhaften Haltbarkeit zum Bau von Erdwärmesonden
seit Jahren bewährt. Allerdings sind diese Rohrarten
aufgrund ihres molekularen Gefüges für Gase mehr
oder weniger durchlässig. PE-Rohre können besonders
gut von Kohlendioxid (CO2) durchdrungen
werden. So ist die Diffusionsrate von Kohlendioxid rund
doppelt so hoch wie die von Sauerstoff. Somit kann sich
in der Sole bei hohen Drücken in der Sonde bis zur
Sättigung anreichern.
Ein an der Wärmepumpe installierter Luftabscheider
kann die bei geringerem Druck ausgasende Kohlendioxidmenge
nicht abscheiden. Der Schaum wandert zum
Verdampfer der Wärmepumpe und reduziert erheblich die
Entzugsleistung. Dies führt nach kurzer Zeit zur Störabschaltung
der Wärmepumpe.
Damit die Ausgasung möglichst gering
gehalten wird, sollte der Druck an der
höchsten Stelle der Anlage möglichst hoch
sein. Was bei der Auslegung des MAG's beachtet werden muss.
Quelle: Prof. Dr.-Ing. W. Ameling |
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Das zirkulierende
Kühlflüssigkeit
(Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch [Sole]) wird als Wärmequelle für
eine Wärmepumpe verwendet und dort im Verdampfer
abgekühlt. Dabei ist die Sondenpumpe für
bis zu 20 % des Stromverbrauchs der
gesamten Wärmepumpenanlage verantwortlich. Bei einer richtige Auslegung
kann der Stromverbrauch auf unter 10 % gesenkt werden. Hier sind die
wichtigsten Auslegungsgrössen: |
• Auslegung der Temperaturspreizung von
Sondenvorlauf zu Sondenrücklauf
• Durchmesser der Erdwärmesonden
• Richtige Dimensionierung der Sondenverteiler und Zuleitungen
• Sondenlänge und Anzahl Sonden
• Wahl des Sondenflüssigkeit (reines Wasser oder Wasser-Frostschutz-Gemisch)
• Wahl der richtigen Sondenpumpe
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Wenn die Erdwärmesonden
tief genug gebohrt sind, dann sollte die Temperatur
des Sondenrücklaufs (die in die Erdsonde einströmende
Sole) nie unter den minimal nötigen Wert der Wärmepumpe
sinken. |
Die Auslegung
der Anlage setzt sich aus den Druckverlusten der Sonde,
dem WP-Verdampfer, Verteiler, Volumenstrommesser
und weiteren Bauteilen (z. B. Luftabscheider) zusammen.
Grundlage für die Berechnung ist der Nennmassenstrom. |
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Spülen/Entlüften und Befüllen |
Bei dem
Füllen von Erdwärmesonden- bzw. Erdkollektorenanlagen
werden häufig Fehler gemacht, die dazu führen,
dass die geforderte Heizleistung nicht vollständig erbracht wird
oder die Anlage total ausfällt. Folgende Dinge müssen besonders
beachtet werden: |
Schema
für den Spül- und Füllvorgang
Mindestspüldauer für 32 mm Sonden
Quelle: AWP |
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Nach dem
Einbau der Erdwärmesonde darf kein Schmutz (Sand, Kiesel)
in den Sondenkreislauf gelangen. Die Rohrenden (Sondenkopf)
müssen unmittelbar nach dem Einbau von der zuständigen Bohrfirma
gut verschlossen werden (PE-Schweisskappe oder sehr gutes Klebeband).
Verunreinigungen können bei der Umwälzpumpe oder beim Verdampfer
der Wärmepumpe grosse Schäden verursachen.
Die richtig berechnete Menge Frostschutzmittel muss
dem Füllwasser in einer Mischvorrichtung gut
durchmischt direkt eingefüllt werden, damit aufgrund
der Zähflüssigkeit des Konzentrates einzelne Erdwärmesonden
nicht abgeschnitten werden. abgeklemmt werden und Sonden mit zu wenig
Frostschutzmittel oder der Verdampfer nicht einfrieren können.
Hierzu muss ein Misch-/Füllfass und eine
Jetpumpe oder
eine Pumpe mit ausreichender Förderhöhe
(Förderdruck) eingesetzt werden.
Wenn die Solekonzentration von der Berechnung abweicht,
kann zu Frost- und Korrosionsschäden kommen.
Vor
dem Füllen der Erdwärmesondenanlage
ist unbedingt der Vordruck des
Membran-Druckausdehnungsgefäßes
(MAG) zu prüfen
bzw. einzustellen (0.5 bis 1.5 bar oder
nach Angabe des WP-Herstellers). Der Einbau
eines Kappenventils für die Spülung
und spätere Wartungen ist immer sinnvoll.
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Vor dem
Füllen der Sonden müssen
die Umwälzpumpe und
der Verdampfer mit sauberem Leitungswasser
mit Druck von Verunreinigungen durch
Schweissperlen, Sand, Kiesel und Schmutz (Ziehfettbeläge,
Rostteilchen) gespült. Erst danach darf jeder Kreis der Anlage
einzeln gespült und
entlüftet werden. Die Spülzeit (2 bis 0 Minuten oder bis blasernfreies sauberes
Wasser zurückkommt) ist von dem Spüldruck, der Nennweite und der Länge der Rohrleitungen abhängig.
Nach dem Spülen ist eine Druckprüfung bzw. Dichtheitsprüfung
(z. B. Kontraktionsverfahren) durchzuführen.
Immer wieder gibt es Erdsonden- und Erdkollektoranlagen, die die geforderte
Heizleistung nicht erbringen oder ganz ausfallen. Bei der Überprüfung wird
dann festgestellt, dass die Anlagen nicht fachgerecht erstellt bzw. nicht mit der nötigen Sorgfalt mit Frostschutz
gefüllt worden sind.
Folgende Punkte sollten beachtet werden:
- Bei oder nach dem Einbau der
Erdwärmesonde oder Erdkollektors kann Schmutz (Sand, Steine, Pflanzenteile) in den
Sondenkreislauf gelangen. Deshalb ist darauf zu achten, dass die Rohrenden im Sondenkopf
bzw. Verteilerschacht unmittelbar nach dem Einbau von der zuständigen Bohrfirma bzw. dem Ersteller des Kollektors
gut verschlossen werden (PESchweisskappe oder sehr gutes Klebeband). Verunreinigungen können
bei der Umwälzpumpe oder beim Verdampfer der Wärmepumpe
erhebliche Schäden verursachen. Auch eine
Biofilmbildung ist möglich. Deshalb sollte nur sauberes Wasser (Leitungswasser)
in die Erdwärmesonden bzw. Kollektoren eingefüllt wird.
- Nur eine richtig berechnete Frostschutzmittelmenge, die mit einer entsprechenden
Mischvorrichtung eingefüllt wird, führt zu einem störungsfreien Betrieb.
Wenn das Konzentrat direkt eingefüllt wird, können aufgrund der Zähflüssigkeit des
Konzentrates einzelne Erdwärmesonden- bzw. Kollektorkreise abgeschnitten werden.
In den restlichen Kreisen zirkuliert mehr oder weniger nur Wasser, das beim Betrieb der Wärmepumpe
gefrieren und somit auch den Verdampfer zerstören kann. Deshalb ist eine richtige Durchmischung
der Soleflüssigkeit vor dem Füllen der Anlage besonders wichtig.
- Eine falsche Berechnung der Solekonzentration kann zu Frost- und Korrosionsschäden führen.
Heutzutage gibt es Spezialanlagen, die mit 100% reinem Wasser betrieben werden. Hier
muss beachtet werden, dass diese Anlagen eine ganz andere Auslegung der Erdwärmesonden-
bzw. Kollektormeter erfordern.
- Die Konzentration des
Frostschutzmittels muss mindestens so gewählt werden,
dass eine Frostsicherheit nach den WPHerstellerAngaben gewährleistet ist und
die geforderte Minimalkonzentration des FrostschutzmittelHerstellers eingehalten wird (Schutz vor Verschlammung
[Biofouling] und
Korrosion). Für eine bessere Wärmeübertragung und eine geringere Pumpenleistung sollte jedoch die Frostschutzkonzentration so gering wie
möglich sein.
Eine Befüllung mit einer Fertigmischung, welche die obigen Anforderungen
erfüllt, ist empfehlenswert.
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Beispiel
Übliche Inhalte
für Erdwärmesonden ergeben sich aus den üblichen Rohrdurchmessern
(Inhalt pro Meter bei Polyethylen-Rohr (PE)
mit folgenden Nennweiten:
DN 32 (32 x 2.9 mm) > 2.16 Liter (4 x 0.539 Liter),
DN 40 (40 x 3.7 mm) > 3.36 Liter (4 x 0.838 Liter). |
| Die erforderliche Durchmischung
mit 100%-igem Frostschutzkonzentrat ist folgender Maßen
vorzunehmen: |
| 140 m Doppel-U-Erdwärmesonden mit einem Durchmesser
von DN 32; erforderliche Konzentration > 25 % |
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Berechnung des Volumens
eines Erdwärmesondenkreises; eine Doppel-U-Erdwärmesonde
besteht aus zwei Kreisen! Ein Erdwärmesondenkreislauf mit je
einem Vor- und einem Rücklauf hat ein Volumen von 302.4 Liter
(140 m x 2.16 l/m)
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Anteil des notwendigen
Frostschutzkonzentrates: 75.6 Liter (25 % von 302.4 Liter)
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Damit sich das Konzentrat
im Fass mischen kann, müssen zusätzliche 40 Liter Gemisch
ins Fass geleert werden (10 Liter Konzentrat und 30 Liter Wasser).
Als Hilfe sind am Fass Volumenmarkierungen anzubringen.
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Das bereitgestellte
Frostschutzkonzentrat ist ins Mischfass zu leeren.
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Die Schieber zum Verdampfer
schliessen.
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Die Absperrhähne
eines Stranges (nicht beide Stränge der Erdwärmesonde)
öffnen.
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Den Entleerschlauch
aus dem Fass nehmen und in einen Abfluss legen.
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Die Füllpumpe (Jetpumpe
mit genügend Leistung) einschalten und laufen lassen, bis nur
noch 40 Liter im Fass sind. Dann Füllpumpe sofort abschalten.
Aus dem Entleerschlauch fliesst während dieses Vorgangs das
überflüssige Leitungswasser in den Abfluss.
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Den Entleerschlauch
ins Fass stecken und die Füllpumpe erneut einschalten und so
lange laufen lassen, bis sich das Frostschutzkonzentrat und das
Wasser gut vermischt haben. Die benötigte Zeit beträgt
ca. das 6-fache der Spülzeit.
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Die Füllhähne
beim Entleerschlauch und anschliessend beim Erdwärmesondenverteiler
schliessen. Über das Überdruckventil (2,5 bar) fliesst
das überflüssige Gemisch zurück in das Fass. Die
Füllpumpe abschalten. Im Fass befinden sich noch beinahe 40
Liter Gemisch. Ein Teil wurde durch die Expansion der Erdwärmesonden
aufgenommen.
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Bei relativ langen Erdwärmesonden
und bei schlechter Mischung spricht das Überdruckventil beim
Fass an und verbessert damit das Mischen.
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Die Mischung für
jeden weiteren Kreis einer Erdwärmsondenanlage ist wie vorstehend
vorzunehmen
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Wenn alle Erdwärmesondenkreise
gefüllt sind, müssen noch die Verbindungsleitungen zur
Wärmepumpe und der Verdampfer der Wärmepumpe gefüllt
werden. Zu diesem Zweck sind alle Hähne zu den Erdwärmesonden
zu schliessen und die Hähne zum Verdampfer zu öffnen.
Sorgfältig wird nun der Rest des Gemisches über den Hahn
am Füllschlauch hineingepumpt. Das Wasser im Verdampfer entweicht
über den Entleerschlauch. Sobald am Entleerschlauch Frostschutzgemisch
austritt (Farbänderung), ist der Hahn zu schliessen. Über
den Pumpendruck wird das Ausdehnungsgefäß bis auf vorgesehenen
Druck gefüllt. Zuletzt ist der Hahn am Füllschlauch zu
schliessen. Es besteht nun Gewähr dafür, dass die Erdwärmesondenanlage
schmutzfrei, mit richtiger Konzentration und auf korrekten Betriebsdruck
(0,5 bar über Vordruck des Ausdehnungsgefässes) gefüllt
ist. Quelle: Technische Merkblätter
AWP
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Nach dem Füllen müssen in der Regel die Kreise noch einmal luftfreigespült werden. |
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Druckprüfung von Erdwärmesonden
aus Polyethylen |
Eine
eingebaute Erdwärmesonde bzw. ein Erdkollektor kann im Gegensatz zu
einer horizontalen Trinkwasserinstallation visuell
nicht überprüft werden. Es ist vor der Übergabe
eine Druckprüfung bzw. Dichtheitsprüfung (z. B. Kontraktionsverfahren) durchzuführen. Wobei
man in der Praxis davon ausgeht, dass die Rohre ohne Verbindungsstellen
normalerweise dicht sind, aber trotztdem geprüft werden müssen
und darüber ein Protokoll
ausgefertigt werden muss. |
Da die Erdsonden aus Polyethylen-Rohre
(PE) heutzutage sehr tief gebohrt
werden, ergibt sich ein relativ hoher statischer Druck
am Erdwärmesondefuß. Außerdem muss
beachtet werden, dass die Kunststoffrohre unter Belastung
kriechen. Das bedeutet, dass auch in einer dichten
Erdwärmesonde der Fülldruck in der Sonde
langsam abfällt, dadurch ist die Unterscheidung
zu einer undichten Anlage schwierig. |
Der Nenndruck
der Erdwärmesondenrohre ist 16 bar, was eine Tiefe
von 160 m entspricht. Wenn jetzt noch der Überdruck
(bis 3 bar > Prüfdruck der 1,5fache
Druck = 4,5 bar) der an der Oberfläche
vorhandenen Bauteile dazugerechnet wird, dann wären nur Tiefen
von 130 m nach den üblichen Prüfverfahren möglich. Für
die Druckprüfung ist eine kurzfristige Überschreitung
des Nenndruckes zulässig. |
Zur Feststellung der Dichtheit
muss die Anlage luftfrei gespült werden und die
Flüssigkeitstemperatur der Umgebung anpassen
und die oberirdischen Rohrleitungen und Bauteile
dürfen nicht der direkten Sonnenbestrahlung ausgesetzt
sein. Wenn ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch vorgesehen ist, wird
dieses erst nach der Druckprüfung eingefüllt. |
Beispiel einer Druckprüfung |
| Ablauf
der Druckprüfung in Anlehnung an DIN V 4279-7. Für
die Praxis wurde ein Protokoll
erstellt, in dem die einzelnen Schritte protokolliert werden.
Quelle: Bundesamts für Energie BFE
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| 1 |
Entspannungsphase:
Beim Einbau der Erdwärmesonde und beim Durchflusstest wird
nur ein geringer Differenzdruck auf das Rohr aufgebracht. Auf
die Entspannungsphase kann darum verzichtet werden, ausser wenn
nach einer Druckprüfung eine Nachprüfung gemacht werden
muss.
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60 Minuten
entfällt üblicherweise |
| 2 |
Druckaufbauphase:
Druck aufbringen. Die Erdwärmesonde muss so schnell wie möglich
auf 12 bar gebracht werden, d.h. diese Testphase darf 10 Minuten
nicht überschreiten
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10 Minuten maximal |
| 3 |
Druckhaltephase:
Eventuell nachpumpen. Während 10 Minuten ist der Druck auf
12 bar zu halten. Mindestdruck während dieser Zeit 10 bar.
Der Druck wird protokolliert.
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10 Minuten |
| 4 |
Ruhezeit:
Je nach Messapparatur werden die Hähnen zu den Erdwärmesonden
geschlossen. Der Druck wird protokolliert. Der Druckabfall
darf maximal 30% betragen.
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60 Minuten |
| 5 |
Druckabsenkphase:
Für eine Druckabsenkung von 2 bar, Wasser ablassen. Die Menge
und der Druck werden protokolliert. Die Menge darf nicht mehr
sein, als in Tabelle
3 aufgeführt. Falls die Wassermenge grösser
ist, ist Luft im Kreislauf. Der Test muss inkl. Entspannungsphase
wiederholt werden (zurück zu 1). |
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| 6 |
Kontraktionsphase:
Die Erdwärmesonde zieht sich zusammen. Der Druck steigt wieder
an. Der Druck wird im 10 Minuten Rhythmus protokolliert. Der Druck
darf nicht abfallen, d.h. er sollte leicht ansteigen oder gleich
bleiben. Fällt er hingeben messbar ab, ist das System undicht.
In diesem Falle sind das Prüfgerät und die Verbindungen
zuerst selber zu überprüfen.
Anschliessend ist die Prüfung für jeden Kreis
einzeln durchzuführen. Die Entspannungsphase ist
zu beachten (zurück zu 1).
Bei mit elektronischen Druckfühlern aufgenommen Druckkurven
ist bezogen auf das Maximum ein Druckabfall von mehr als 0.1 bar
nicht zulässig (Rauschen). |
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| 7 |
Die in DIN
V 4279-7 vorgesehene Verlängerung bis total 1.5 Stunden mit
einem maximal zulässigen Druckabfall von 0.25 bar, ist für
Erdwärmesonden nicht sinnvoll, da in der Praxis auch bei
dichten Erdwärmesonden vielfach ein grösserer Druckabfall
gemessen wird (bis ca. 0.4 bar in 1.5 Stunden). Damit dient diese
Verlängerung nicht zur Klärung, ob eine Leckage vorliegt,
oder ob der Druckabfall durch die Ausdehnung des PE Materials
verursach wird. Aus diesem Grund entfällt diese zeitliche
Verlängerung für vertikale Erdwärmesonden.
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1.5 Stunden |
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Ausdehnungsgefäße
in Kühlanlagen |
In Kühlanlagen
sind Zwischengefäße vorzusehen, wenn
Gefäßtemperaturen von unter
5 °C auftreten, die meisten Gefäßhersteller
die niedrigste Temperatur mit + 5 °C
angeben. |
Der Ausdehnungsfaktor
ist höher, wenn dem Wasser Frostschutzmittel
zugegeben wurde. Die entsprechenden Werten sind von dem Mischungsverhältnis
abhängig. Bei Kühlanlagen muss der Inhalt der Anlage
rechnerisch ermittelt werden, denn Pauschalwerte aufgrund der
Nennleistung des Kühlaggregates ergeben keine zuverlässigen
Ergebnisse. Für die Bestimmung des Ausdehnungsvolumens muss
mit der max. möglichen Umgebungstemperatur gerechnet werden,
welche die Kühlflüssigkeit bei Ausfall des Kühlaggregates
annehmen kann (ca. 30 – 35 °C). |
Der
Vordruck in einem Membrandruckausdehnungsgefäß
(MAG) sollte mindestens 1,5 bar betragen,
damit die angeschlossenen Geräte nicht auf Grund eines zu
geringen Druckes abschalten. Die Wasservorlage,
d. h. der Fülldruck sollte entsprechend
hoch über dem Vordruck liegen und bei der Auslegung berücksichtigt
werden. Dies ist besonders wichtig, wenn das Kühlmedium stark
unter die Fülltemperatur absinken kann. |
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Kubischer
Ausdehnungskoeffizient von GLYKOSOL N-Wasser-Gemischen
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| Quelle:
pro Kühlsole |
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Transparenter
Sole-Ausgleichsbehälter |
Quelle:
Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG |
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Ein transparenter
Ausgleichsbehälter wird eingesetzt,
da sich der Wärmeträger
(Wasser-Glykol-Gemisch bzw. Sole)
im Kreislauf eines Erdkollektors
oder einer Erdsonde im normalen Betrieb
abkühlt. Hier ist es sinnvoll, den Füllstand
im Ausgleichsbehälter beobachten zu können.
Zumal eine Wärmepumpe bei zu niedrigem Druck
auf Störabschaltung geht. Außerdem ist
es normal, dass der Füllstand der Soleflüssigkeit
im ersten Monat nach der Inbetriebnahme der
Anlage etwas sinkt. Der Füllstand kann auch je
nach Temperatur der Wärmequelle variieren. Im
Gegenteil zu Heizungs- und Solaranlagen zieht sich
die Flüssigkeit zusammen. |
Wenn
der Füllstand der Soleflüssigkeit
so weit gesunken ist, dass er im Soleausgleichsbehälter
nicht mehr sichtbar ist, muss die
Soleflüssigkeit nachgefüllt
werden. Im Gegensatz zu den Membrandruckausdehnungsgefäßen
(MAG) haben diese Gefäße haben keine
Membran, da das Luftpolster
den Gegendruck aufrecht hält.
Bei Anlagen, die keinen Mindestdruck
benötigen, kann auf das Sicherheitsventil
verzichtet werden. Dann kann die Anlage offen
betrieben werden. Jedes Ausdehnungsgefäß
sollte mit einem Kappenventil angeschlossen
werden, damit es bei der Dichtheitsprüfung
und dem Luftfreispülen von der
Anlage getrennt werden kann. |
| Der Sole-Fülldruck
sollte zwischen 1 und 2 bar
liegen. Wenn er für die Dauer von 2 Minuten unter
0,6 bar oder einmalig unter 0,2 bar sinkt, wird die
Wärmepumpe automatisch abgeschaltet und eine
Fehlermeldung wird angezeigt. |
Auch bei der
PC-Kühlung
kommen transparente Ausgleichsbehälter
zum Einsatz. |
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Der Abluftkollektor
(ALK) ist ein Lüftungsgerät
mit dem der Luftwechsel einer Wohnung sichergestellt
wird. Mit der Abluftentfernung wird im Winterbetrieb
die Sole, die aus einem
Erdkollektor oder einer Erdwärmesonde kommt, (vor)erwärmt,
was die Effizienz steigert. Der Abluftkollektor führt
Abluft aus Räumen mit hohem Lüftungsbedarf, so
z. B. Küche, Bad oder WC, ab. Außenluft strömt
über Außenwandventile in die Räume nach. |
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Abluftkollektor |
Quelle:
Junkers - Bosch Thermotechnik GmbH |
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Die
warme Abluft (Fortluft) strömt
im Abluftkollektor durch einen
Wärmetauscher und wärmt
die Sole für die Wärmepumpe
vor. Dadurch muss die Wärmepumpe nur noch
eine geringere Temperaturdifferenz überbrücken.
Sie benötigt also weniger elektrische Energie
und ihre Leistungszahl (e, COP) steigt. |
Beispiel |
Die
Kühlleistung des Abluftkollektors
im Nennbetrieb beläuft
sich auf ca. 1,2 kW. Damit kann die Sole von
10 °C auf 11,3 °C erwärmt werden
und die Wärmepumpe arbeitet entsprechend
effizienter. |
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Wenn im Sommer
Kühlkonvektoren oder eine Klimadecke zur Kühlung
der Räume eingesetzt werden, arbeitet diese Anlage
am besten mit einer möglichst kalten Sole. Eine Soleerwärmung
durch den Abluftkollektor ist in diesem Fall nicht sinnvoll.
Deswegen hat der ALK eine Sommer- oder Winterbetriebschaltung.
Im Sommerbetrieb arbeitet der Abluftkollektor ausschließlich
als Lüfter. Es läuft nur das Gebläse, die
integrierte Solepumpe ist ausgeschaltet. |
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Schema
- Abluftkollektor |
AB
Auffangbehälter
ALK Abluftkollektor
EWP Erdwärmepumpe
MAG Membran-Ausdehnungsgefäß
MAN Manometer
PALK Pumpe Abluftkollektor
P3 Solepumpe
RV Rückflussverhinderer
SV Sicherheitsventil
19 Wärmequelle (z.B. Erdsonde)
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Quelle:
Junkers - Bosch Thermotechnik GmbH |
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Hinweis!
Schutzrechtsverletzung: Falls Sie meinen, dass von meiner Website
aus Ihre Schutzrechte verletzt werden, bitte ich Sie, zur Vermeidung
eines unnötigen Rechtsstreites, mich
umgehend bereits im Vorfeld zu kontaktieren, damit
zügig Abhilfe geschaffen werden kann. Bitte nehmen Sie zur Kenntnis:
Das zeitaufwändigere Einschalten eines Anwaltes zur Erstellung
einer für den Diensteanbieter kostenpflichtigen Abmahnung entspricht
nicht dessen wirklichen oder mutmaßlichen Willen. Die Kostennote
einer anwaltlichen
Abmahnung ohne vorhergehende Kontaktaufnahme mit mir wird daher im Sinne
der Schadensminderungspflicht als unbegründet zurückgewiesen. |
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