Koaxiales Erdwärmekonzept mit 80 kW Wärmepumpe
Das 1965 errichtete Gebäude besteht hauptsächlich aus Beton und Glas. Durch die energetische Sanierung sollte der Einsatz von Heizöl substituiert und die CO2-Emmissionen auf Null reduziert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde das Flachdach isoliert, Photovoltaik-Hybridkollektoren eingesetzt und eine Wärmepumpe mit 80 Kilowatt installiert. Die Besonderheit am Erdwärmesystem ist, dass die Erdwärmesonden in 450 Meter Tiefe reichen und koaxial konzipiert sind. Bei koaxialen Erdwärmesonden fließt das kalte Wasser im äußeren Ringraum in die Tiefe und erwärmt sich dabei. Am tiefsten Punkt der Bohrung fließt das so erwärmet Wasser dann im Inneren der mittig im Außenrohr angebrachten Steigleitung wieder nach oben zur Wärmepumpe.
Erdwärmespeicher durch Photovoltaik-Hybridkollektor
Gemäß dem Energiekonzept soll im Sommerbetrieb das 30 °C warme Wasser, welches als Wärmeträgermedium im Sondenkreislauf eingesetzt wird, aus dem Hybrid-PVT-Modul durch das wärmegedämmte Innenrohr der Koaxial-Sonde nach unten gefördert werden und von dort im äußeren Ringspalt der Koaxial-Sonde wieder nach oben strömen. Das umliegende Erdreich in einem Radius von etwa drei Metern wird damit im Sommer durch diesen künstlichen Wärmeertrag um rund 3 bis 4 °C über die natürliche ungestörte Erdreichtemperatur aktiv regeneriert.
Hauptwärmeübertragung zwischen 75 und 450 Metern
Im Winterbetrieb soll das 12 °C warme Wasser von der Wärmepumpe kommend im äußeren Ringspalt der Erdwärmesondevon oben nach unten geführt werden. Da das Erdreich in den oberen 75 Metern gegenüber dem Wasser keine signifikante Temperaturdifferenz aufweist, ist die Wärmeübertragung aus dem Erdreich noch relativ gering. Die Hauptwärmeübertragung erfolgt daher im Tiefenbereich zwischen 75 und 450 Metern. Am Fuß der Sonde wird eine Temperatur von 17 °C erwartet, die im isolierten Innenrohr nach oben transportiert werden soll. Aufgrund des thermischen Kurzschlusses zwischen Innen- und Außenrohr wird ein Temperaturverlust auftreten, der dank Isolation des Innenrohres auf 0,5 bis 1 °C reduziert wird. Die Rücklauftemperatur von der Sonde zur Wärmepumpe hin soll demnach eine Temperatur von 16 °Celsius aufweisen.
Heizleistung der Wärmepumpe
Zur Generierung der an der Wärmepumpe benötigten Verdampferleistung von etwa 54 Kilowatt ist eine ermittelte spezifische Leistung von 60 Watt pro Meter der Sonde erforderlich. Dies entspricht einer aktiven Sondenlänge von etwa 900 Metern. Zum Einsatz kamen daher insgesamt zwei Sonden mit 450 Metern Länge in Kombination mit thermisch verbessertem Verfüllmaterial.
Bohrung der Tiefe Erdwärmesonden
Die beiden Bohrungen wurden auf einer Tiefe von 450 Metern mit normaler Bohrgeschwindigkeit erstellt. Parallel zur Bohrung wurden die Sonden für den Einbau vorbereitet. Nach dem Platzieren des Trommelanhängers wurden die Koaxial-Sonden über den werkseitig montierten Sondenfuß mit Wasser befüllt und anschließend beidseitig verschlossen. Somit konnte die Verteufung bis auf eine Endteufe von 450 Metern erfolgen. Die Sonde konnte mit konstanter Geschwindigkeit in etwa 50 Minuten eingebracht werden. Dies entspricht einer Geschwindigkeit von rund 10 Metern pro Minute und ist vergleichbar mit der Einbaugeschwindigkeit einer herkömmlichen Doppel-U-Sonde aus PE.
Nachfolgend wurde eine Druckprüfarmatur mithilfe von REHAU Schiebehülsen installiert, mit der die Druckprüfung erfolgreich durchgeführt werden konnte. Abschließend wurde das Bohrloch mit thermisch verbessertem Verfüllmaterial verpresst. Die Anlage wird ab dem Zeitpunkt der Inbetriebnahme von einem umfangreichen Monitoring begleitet, um die Ergebnisse der Simulation mit Realdaten zu vergleichen.
Stahlarmierte RAUGEO Hochdruck-Tiefensonde
Die neue stahlarmierte RAUGEO Hochdruck-Tiefensonde ist darauf ausgelegt, den auftretenden Gesamtdruck sowie ihr Eigengewicht bei Tiefen bis zu 800 Metern und Erdreichtemperaturen von bis zu 80 °C selbständig tragen zu können. Zu diesem Zweck ist das Sondenrohr aus drei Schichten aufgebaut. Das Innenrohr besteht aus hochdruckvernetztem und spannungsrissbeständigem PE-Xa, das eine Temperaturbeständigkeit bis zu 95 °C aufweist. Dieses Innenrohr ist mit einer Armierung aus Edelstahldraht zur Aufnahme des Innendrucks umflochten. Zum Schutz dieser Armierung verfügt das Sondenrohr über eine äußere Mantelschicht aus zähem PE100. Alle Anschlüsse sind mittels werkseitig verpresster Anschlussfittings fest mit dem Rohr verbunden und werkseitig druckgeprüft.
