Dimensionierung Erdwärmesonden: Unterschied zwischen den Versionen
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Aus dem jährlichen Wärmeenergiebedarf Q<sub>H</sub> des Hauses (inkl. Warmwasser falls mit WP bereitet) und der Jahresarbeitszahl JAZ der Wärmepumpe lässt sich die der Sonde entzogene Wärme Q<sub>EWS</sub> berechnen nach: | Aus dem jährlichen Wärmeenergiebedarf Q<sub>H</sub> des Hauses (inkl. Warmwasser falls mit WP bereitet) und der Jahresarbeitszahl JAZ der Wärmepumpe lässt sich die der Sonde entzogene Wärme Q<sub>EWS</sub> berechnen nach: | ||
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Die nötige Gesamt-Sondenlänge l<sub>Sonde</sub> kann nun berechnet werden indem die entzogene Wärme durch 80 kWh/m dividiert wird: | Die nötige Gesamt-Sondenlänge l<sub>Sonde</sub> kann nun berechnet werden indem die entzogene Wärme durch 80 kWh/m dividiert wird: | ||
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l<sub>Sonde</sub> = Q<sub>EWS</sub> / 80 kWh/m | l<sub>Sonde</sub> = Q<sub>EWS</sub> / 80 kWh/m | ||
Version vom 17. Februar 2008, 13:07 Uhr
Inhaltsverzeichnis
Dimensionierung von Erdwärmesonden
Methode 1: Grobdimensionierung nach Standardwerten
Diese Variante wird bei kleineren Projekten für Einfamilien- bis kleineren Mehrfamilienhäusern weitaus am häufigsten verwendet da sie sehr einfach anzuwenden ist. Bei passenden Bodenverhältnissen liefert sie meist brauchbare Resultate. Weicht die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds von den in den folgenden Berechnungen zu Grunde gelegten 2.5 W/m·K deutlich ab, müssen andere spezifische Entzugsleistungen bzw. -Energien berücksichtigt werden. Die Werte für verschiedene Bodentypen können Tabelle 1 entnommen werden.
1a: Ermittlung der Sondenmeter nach der Entzugsleistung
Bei dieser Dimensionierungsart wird angenommen, dass der Boden eine Leistung von 50 W/m Sonde liefern kann für eine Doppel-U Sonde. Das ist für Böden mit einer Wärmeleitfähigkeit um die 2.5 W/m·K der Fall. Böden mit höherer Wärmeleitfähigkeit können auch stärker belastet werden. Ist sie jedoch deutlich tiefer, wird die Sonde zu kurz ausgelegt und Probleme sind vorprogrammiert.
Die Entzugsleistung PE errechnet sich aus der nötigen Heizleistung PH des Hauses bei Auslegungsbedingungen (Heizlast) und dem COP der Wärmepumpe in diesem Punkt nach
PE = PH * (1-1/COP)
Soll mit der Wärmepumpe auch Warmwasser erzeugt werden, so ist dieser Verbrauch zusätzlich zu berücksichtigen. Pro Person sind dem PH 0.25 kW zu beaufschlagen.
Die nötige Gesamt-Sondenlänge lSonde kann nun berechnet werden indem die Entzugsleistung durch 50 W/m dividiert wird:
lSonde = PE / 50 W/m
Wird statt der Heizlast des Hauses die Wärmeleistung der Wärmepumpe genommen und ist diese falsch dimensioniert, ist die Sonde ebenso falsch dimensioniert. Die Auslegung gilt für jährliche Laufzeiten der Wärmepumpe von rund 1800 Volllaststunden.
1b: Ermittlung der Sondenmeter nach der Entzugsenergie
Die etwas genauere Methode [ FAWA 04 ] die Sonden bei monovalenten Anlagen auszulegen ist sie über die jährlich entzogene Energie zu berechnen. Es gilt, dass dem durchschnittlichen Erdboden (s.o.) pro Meter und Jahr 80 kWh an Wärme entzogen werden können. Die Werte für verschiedene Bodentypen können Tabelle 1 entnommen werden.
Aus dem jährlichen Wärmeenergiebedarf QH des Hauses (inkl. Warmwasser falls mit WP bereitet) und der Jahresarbeitszahl JAZ der Wärmepumpe lässt sich die der Sonde entzogene Wärme QEWS berechnen nach:
QEWS = QH *(1-1/JAZ)
Eine Soleanlage hat eine JAZ in der Grössenordung von 4. Diese ungefähre Angabe reicht für eine Berechnung aus. Eine JAZ von 5 führt nur zu 7 % höherer Energiemenge gegenüber einer JAZ von 4. Die JAZ kann man aber auch berechnen.
Die nötige Gesamt-Sondenlänge lSonde kann nun berechnet werden indem die entzogene Wärme durch 80 kWh/m dividiert wird:
lSonde = QEWS / 80 kWh/m
| Untergrund | spez. Entzugsleistung [W/m] | spez. Entzugsenergie [kWh/m·a] |
| Schlechter Untergrund mit lambda < 1.5 W/m·K | 20 | |
| Normaler felsiger Untergrund, wassergesättigtes Sediment mit lambda = 1.5-3.0 W/m·K | 50 | 80 |
| Festgestein mit lambda = > 3.0 W/m·K | 70 | |
| Sand, Kies trocken | < 20 | |
| Sand, Kies wasserführend | 55 - 65 | |
| Ton, Lehm feucht | 30 - 40 | |
| Kalkstein (massiv) | 45 - 60 | |
| Sandstein (Molasse) | 55 - 65 | |
| Basalt | 35 - 55 | |
| Granit | 55 - 70 | |
| Gneis | 60 - 70 | |
| Sand Kies mit starken Grundwasserfluss | 80 - 100 |
Tabelle 1: Entzugsleistung und Entzugsenergie verschiedener Bodenarten für Anlagen < 20kW (nach VDI 4640)
Methode 2: Dimensionierung durch Simulation
Die Simulation liefert genauere Resultate als die vorangehend besprochenen Methoden, da hier wichtige Parameter wie etwa die Bodenbeschaffenheit berücksichtigt werden können. Eine exakte Simulation ist unerlässlich bei grösseren Projekten, z.B. grossen Sondenfeldern oder Tiefensonden (tiefer 500m).
Aber auch für die Erdsonde für das Einfamilienhäuschen ist eine Simulation sehr hilfreich, und bei speziellen Bodenbedingungen auch unerlässlich. So liessen sich viele Probleme verhindern die bei falsch dimensionierten Sonden immer wieder auftreten.
Für diesen Zweck gibt es spezielle Programme, wie etwa das Programm EWS oder den Earth Energy Designer.
Mit diesen Programmen kann der Effekt der Sondentiefe, Sondenanordnung, Bodenbeschaffenheit, Hinterfüllung etc. bei verschiedenem Entzug über das Jahr auf die Soletemperatur simuliert werden. Der Verlauf der Temperatur kann über den Zeitraum von mehreren Jahren bis Jahrzehnten vorausberechnet werden. So können kritische Auslegungen vorzeitig erkannt werden. Ist die Sonde mal gebaut, können Fehler nicht oder nur mit grossem Aufwand (neu Bohren) korrigiert werden.
Einzelsonde oder mehrere Sonden
Ist die nötige Anzahl Sondenmeter aus obigen Berechnungen bekannt, muss noch bestimmt werden ob eine einzelne möglich oder mehrere Sonden nötig sind. Energetisch ist eine einzelne tiefe Sonde in den meisten Fällen besser als die Aufteilung auf mehrere kurze.
Die Gründe sind:
- Höhere Temperaturen in der Tiefe. Die Bodentemperatur nimmt mit rund 3 K/100 m zu.
- Keine negative Beeinflussung durch Nachbarsonden, die Sonden nehmen sich nicht gegenseitig die Wärme ab. Die Sonde entnimmt die Wärme einem grösseren Erdkörper mit dadurch grösserem Wärmeinhalt.
- Das Fluid in den Einzelsonden strömt meist turbulent während in mehreren kurzen Sonden meist laminare Strömung herrscht. Das verbessert den Wärmeübergang vom Rohr auf das Fluid und erhöht die Soletemperatur.
- In grösserer Tiefe weist der Boden im allgemeinen eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf.
Diese Tatsache wird auch in der FAWA Studie [ FAWA 04 ] gezeigt.
Es ist im Allgemeinen auch nicht teuerer einmal tief statt mehrmals kurz zu bohren.
- Das Bohrgerät muss nicht verschoben und der Bohrplatz nicht umgeräumt werden
- In grösseren Tiefen muss nicht mit einer temporären Verrohrung gearbeitet werden, das Bohren geht dadurch schneller. Auch ist meist das Gestein härter was für das Bohren günstig ist.
- Keine teueren Verteiler und Sammler nötig.
Mehrere kurze Sonden sind angebracht wenn in höheren mächtigen Schichten starker Grundwasserfluss auftritt. Das Grundwasser führt dann immer wieder neue Wärme an die Sonden, so dass diese im Winter weniger stark auskühlen. Auch kann ein Boden mit in der Tiefe schlechter Wärmeleitfähigkeit eine tiefe Sonde energetisch schlechter machen. In einem solchen Fall kann aber nur eine Simulation oder ein Thermal Response Test Klarheit verschaffen. Manchmal ist das Bohren in tiefe Schichten auch verboten, da Grundwasserleiter nicht durchbohrt werden dürfen. Die willkürlich gesetzte 100 m Grenze in Deutschland soll aber kein Hindernis sein, die bergrechtliche Genehmigung für grössere Tiefen ist meist einfach zu erhalten. Schliesslich können auch technische Hindernisse ein Bohren in grössere Tiefe verhindern. Brüchiges, weiches Gestein, starker Wasserfluss oder andere Erschwernisse können eine Bohrung verunmöglichen. Kann ein Bohrunternehmen aber auch bei gutem Boden nicht weiter als 100 m bohren, dann zeugt das nicht von grosser Qualität des Unternehmens.
Müssen mehrere Sonden gebohrt werden, ist auf einen möglichst grossen Abstand zu achten. Mindestens 6 m sollten eingehalten werden, besser sind 8 m. Ab 10m Abstand ist hingegen kaum mehr eine signifikante Verbesserung messbar. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Sonden leicht schräg voneinander weg gebohrt werden. So wird auch ein allfälliges gegenseitiges Durchdringen verhindert, da ein Bohrloch nie exakt gerade verläuft. Die Wahrscheinlichkeit dazu ist zwar sehr gering, macht dann aber ein Bohrloch unbrauchbar. Eine Annäherung der Sonden in der Tiefe verschlechtert die Sonde energetisch.
Die Leistung der Solepumpe erhöht sich bei einer kurzen Sonden gegenüber den kurzen. Einerseits nimmt der Widerstand linear mit der Rohrlänge zu, andererseits erhöht sich die Fliessgeschwindigkeit in der langen Sonde (doppelt so hoch als bei 2), was den Reibungswiderstand im quadrat erhöht. Wird die Solepumpe exakt dimensioniert, ist dieser Mehrverbrauch aber in den meisten Fällen wesentlich geringer als der Minderverbrauch der Wärmepumpe durch die höheren Soletemperaturen.
Die gute Erdsonde
Zu einer guten Erdsonde können nebst den besprochenen Aspekten weitere Punkte führen
- Thermisch verbesserte Hinterfüllung verwenden. Die Standard Hinterfüllung ist Bentonit mit einer Wärmeleitfähigkeit von rund 0.7 - 0.8 W/m·K. Thermisch verbesserte Hinterfüllungen weisen eine Wärmeleitfähigkeit bis zu 2.5 W/m·K auf. Dies verbessert den Wärmeübergang vom Boden auf die Sondenrohre. Dadurch lassen sich i.a. 1-2 K höhere Soletemperaturen erzielen bzw. die nötigen Bohrmeter bei selber Soletemperatur verkürzen.
- Abstandhalter zwischen den Rohren vermeiden einen thermischen Kurzschluss zwischen Vor- und Rücklauf. Verbesserungen bis zu 1 K höherer Soletemperatur sind möglich. Ohne Abstandhalter liegen die Rohre eng beisammen, mit Abstandhalter werden sie nach aussen gedrückt. Sie liegen somit auch näher an der Bohrlochwand was den Wärmeübergang von der Bohrlochwand auf die Sondenrohre verbessert. Abstandhalter können jedoch nicht immer eingebracht werden, da das Bohrloch dazu oft zu eng ist. Dicker Bohren geht theoretisch, ist jedoch teurer. Der Mehraufwand lohnt sich in diesem Fall nicht.
- Eine möglichst geringe Solekonzentration erhöht die Wärmekapazität der Sole. Dadurch muss weniger Masse umgewälzt werden. Zudem nimmt durch die geringere Viskosität der Reibungswiderstand ab und die Solepumpe muss weniger leisten. Bei geringeren Solekonzentrationen sind geringere Geschwindigkeiten der Sole nötig um in den turbulenten Bereich zu gelangen. Der Wärmeübergang von der Rohrwandung zur Sole ist im turbulenten Bereich wesentlich besser als im laminaren. Die Solekonzentration sollte so gewählt werden, dass der Frostschutz 4-5 K unter der tiefsten je zu erwartenden Rücklauftemperatur bzw. der Abschalttemperatur der Wärmepumpe liegt. In manchen Fällen sind auch reine Wassersonden möglich.
Probleme
- Ist die Wärmepumpe überdimensioniert, wird die Sonde stärker beansprucht als bei korrekt ausgelegter Wärmepumpe. Es wird dem Boden zwar gleich viel Energie entzogen, aber bei einer grösseren Leistung in kürzerer Zeit. Dadurch werden die Wärmeübergänge schlechter, da der Temperaturgradient mit der Leistung zunimmt. Bei gleicher Bodentemperatur in einigen cm Abstand vom Bohrloch sinkt dadurch die Soletemperatur stärker ab.
- Werden die Sonden überbeansprucht (zu kurz dimensioniert, stärkere Belastung als geplant, z.B. Bauaustrocknung) kann die Soletemperatur einige K unter den Gefrierpunkt sinken. Nicht nur die Effektivität der Anlage leidet, es besteht auch die Gefahr des Einfrierens der Sonde. Je nach verwendeter Hinterfüllung kann diese beschädigt werden. Feine durch das Eis aufgesprengte Risse verschlechtern die Wärmeleitfähigkeit der Verfüllung und die Leistung der Sonde nimmt ab. Rücklauftemperaturen von vorübergehend -2 bis -3°C sind noch kein Grund zur Sorge, sinkt jedoch auch die Vorlauftemperatur der Erdwärmesonde ein paar Grad unter Null sollten die Alarmglocken läuten.
- Verpressung von oben statt unten. Die Verpressung der Sonden sollte stets von unten nach oben geschehen. Dafür wird ein spezielles Verfüllrohr mit der Sonde abgelassen durch das die Suspension gepresst wird. So lassen sich Hohlräume vermeiden. Diese Hohlräume verschlechtern den Wärmeübergang zur Sonde. Eine Verpressung von oben ist nicht fachgerecht.
- Luft in den Sonden. Sonden müssen vollständig entlüftet werden. Luftblasen können den Durchfluss behindern und die Leistungsfähigkeit senken. Zu den Entlüftern müssen die Sondenrohre stetig ansteigen damit Luftblasen entweichen können.
Solepumpe
Zur Auslegung der Solepumpe siehe separaten Artikel Auslegung Solepumpe
