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Weitere Formen der Erdwärmenutzung
Übersicht
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Energiepfähle
Vielfach werden heute erdberührte Bauteile thermisch aktiviert. Sie dienen dann nicht nur der Standfestigkeit, sondern unterstützen die Energieerzeugung durch Erdwärme. Bohrpfähle werden dann für Erdwärmesonden eingesetzt, wenn größere Durchmesser von 60 bis 150 Zentimeter oder große Tiefen erreicht werden sollen. Die Bohrung ist ohne und mit Stützflüssigkeit oder mit Bohrrohr möglich. Nach dem Einbau des Armierungskorbes wird der Beton von unten eingefüllt und das Bohrrohr wieder ausgezogen. Sollte eine Stützflüssigkeit vorhanden sein, wird diese gleichzeitig abgezogen. Spezielle Bohrpfäle sind Schneckenbohrpfähle, Ortbetonrammpfähle, Stahlbetonrammpfähle und Stahlbetonhohlpfähle.
Der Mehraufwand, die in Frage kommenden Bauteile als Wärmequelle zu nutzen, ist relativ gering. Der wirtschaftliche Vorteil ergibt sich vor allem daraus, dass nur solche Bauteile herangezogen werden, die aus statischen Gründen ohnehin errichtet werden müssen. Zusätzliche Bohr- oder Verlegearbeiten, wie etwa bei Erdwärmekollektoren oder Erdwärmesonden fallen daher nicht an.
Direktverdampfung
Ein Direktverdampfungssystem per Wärmerohr (auch Heatpipe genannt) ist ein Erdwärmetauscher, der unter Nutzung von Verdampfungs- und Kondensationswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Die Direktverdampfung kann in einem Flächenkollektor oder auch einer Erdsonden (z. B. CO2-Erdsonde) erfolgen.
Das Wärmerohr besteht aus einem hermetisch gekapselten Rohr mit je einer Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und -senke. Das Rohr ist mit einer gewissen Menge eines Wärmeübertragungsmediums gefüllt. Das Medium ist zum Teil flüssig und füllt den restlichen Raum mit Dampf aus. Der Druck im Rohr ist sehr klein und die Flüssigkeit an der heißen Seite beginnt bei Wärmeeinwirkung sofort zu verdampfen. Dadurch wird dem zu kühlenden Material die Wärme entzogen. Der Dampf strömt zur Senke (Kühlzone) und muss die Verdampfungswärme wieder abgeben. Dies geschieht zum Teil durch Konvektion oder einer kühleren Umgebung. Dabei findet die Kondensation des Dampfes statt und der flüssig gewordene Dampf kehrt (gekühlt) zum Flüssigkeitsbereich zurück. Dadurch ist sie wieder für eine Wärmeaufnahme bereit. Es findet somit ein Kreislauf statt. Bei geeigneter Konstruktion des Wärmerohrs zirkuliert das Medium allein durch Schwerkraft oder durch die Kapillarwirkung eines Dochtes. Außerdem können so begrenzte Entfernungen überbrückt werden.Die Leistung erhöht sich bei schnellerer Abkühlung der Kondensationszone (Dampf zu Flüssigkeit). Der Einsatz zur Speisung einer Wärmepumpe erscheint auf den ersten Blick einleuchtend, da diese Lösung durch Weglassen des Wärmeträgerkreislaufs Vorteile hat. Jedoch gibt es berechtigte Bedenken:
- Die Geräte lassen sich nicht CE zertifizieren, da sie erst vom Anlagenbauer auf der Baustelle hergerichtet werden. Er gilt dadurch als Hersteller und unterzieht sich der Produkthaftung
- Der Split-Wärmepumpe mit Erdabsorber für direkte Verdampfung haftet bei Verwendung vollhermetischer Kompressoren ein permanentes Betriebsrisiko an, das in der sogenannten Ölrückführung im Kältekreislauf begründet ist. Die Ölrückführung funktioniert nämlich nur, wenn genügend Kältemittel umläuft. Wird der Kältemittelumlauf gestört - Filter zu, E-Ventil defekt, Leckageverluste usw. - wirken die Absorberrohre, von denen meistens jedes einzelne den Ölinhalt des Kompressors aufnehmen kann, als Ölfalle. Der Kompressor läuft ohne Schmierung und fällt aus. Im Gegensatz dazu würde bei einem Kompaktgerät bei einer ähnlichen Störung sofort die Saugdrucküberwachung ansprechen und den Kompressor abschalten.
- Die üblicherweise verwendeten PE(X)-Rohre sind nicht völlig gasdicht, so daß im Laufe der Zeit ein Problem durch molekulare Diffusion entsteht: das Wärmeträgergas entweicht.
- Die Installation erfordert höchste Sorgfalt, Sauberkeit und Schutz vor Feuchtigkeit. Diese Voraussetzungen sind an der Baustelle häufig nicht gegeben.
Betonkernaktivierung
Betonkernaktivierung oder auch thermische Bauteilaktivierung genannt bezeichnet Systeme, die Gebäudemassen zur Temperaturregulierung nutzen. Diese Systeme werden zur alleinigen oder ergänzenden Heizung und Kühlung verwendet, indem bei der Erbauung von Massivdecken oder gelegentlich auch von Massivwänden Rohrleitungen, meist Kunststoffrohre verlegt werden, durch die Wasser als Heiz- bzw. Kühlmedium fließt. Die gesamte durchflossene Massivdecke bzw. -wand wird dabei als Übertragungs- und Speichermasse thermisch aktiviert.
Eine wichtige Eigenschaft ist, dass die aktivierten Bauteile über ihre gesamte Fläche je nach Heiz- oder Kühlfall Wärme aufnehmen oder abgeben. Aufgrund der vergleichsweise großen Übertragungsfläche können die Systemtemperaturdifferenzen niedrig bleiben, sodass das Medium nicht so stark erwärmt werden muss wie beispielsweise das Wasser der Zentralheizung mit Heizkörpern. Aufgrund dieser geringeren Vorlauftemperaturen können zum Heizen z.B. Wärmepumpen effizient eingesetzt werden. Zum Kühlen eignen sich Umweltenergien, wie freie Rückkühlung, Sohlplattenkühlung oder Grundwasserkühlung.
Des Weiteren nehmen massive Bauteile die Wärme vom Medium oder vom Raum auf, speichern diese und geben sie zeitversetzt an den Raum oder das Medium weiter. Es kommt also zu einer Phasenverschiebung zwischen Energieerzeugung und -abgabe. Die Tagesleistungsspitzen werden dadurch „geglättet“, d.h. diese Lastspitzen werden abgesenkt und teilweise verschoben, hin zu Zeiten, in denen keine Raumnutzung vorliegt. Im Sommer wird beispielsweise die Nachtabkühlung zur Kühlung des Mediums genutzt und dem Bauteil Wärmeenergie entnommen. Tagsüber werden die Räume durch Wärmefluss in die nun abgekühlten Wände gekühlt. Die Kühlung erfolgt somit bedarfsgerecht am Tage, die maximale Tagestemperatur wird gesenkt und diese tritt zu einem späteren Zeitpunkt auf, als ohne Kühlung. Die thermische Bauteilaktivierung ist somit besonders für Bürogebäude geeignet.
Erdwärmekörbe und Spiralsonden
Erdwärmekörbe und Spiralsonden funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Erdwärmesonden und auch Flächenkollektoren. Sie stellen im Grunde genommen eine Kombination aus beiden Erdwärmetauschern dar. Erdwärmekörbe als auch Spiralsonden werden unterhalb der Frostgrenze in einer Tiefe von ca. 2,5 bis 3 Meter vergraben. Das Wärmeträgermedium zirkuliert dabei in einem Rohr, das zu einem Korb oder auch Säule gewickelt ist.
Vorteilhaft ist, dass Erdwärmekörbe und Spiralsonden häufig auch an Orten zulässig sind, an denen eine Bohrung rechtlich nicht möglich ist. Oft ist auch die Einbringung günstiger als die Erdsondenbohrung oder die Verlegung eines Flächenkollektors.
Nachteilig ist , dass Erdwärmekörbe und Spiralsonden mehr freie Fläche benötigen als eine Erdwärmebohrung und bei einer Vielzahl von Körben und Spiralen die hydraulische Regelung erheblich erschwert wird. Im schlimmsten Fall kann dies zur Folge haben, dass ein Korb oder Spirale nacheinander energetisch „leer gesogen“ wird, falls nicht jeder Korb oder Spirale gleichmäßig durchströmt wird. Generelles Problem ist zudem, dass der Erdkern von der nachströmenden Erdwärme abgeschnitten ist und unter Belastung zur Vereisung neigt. Auch mit sehr niedrig ausgelegten Entzugsleistungen pro Erdwärmekorb oder Spiralsonde ist dieses System nicht für den Einsatz in größeren Immobilien geeignet.
Grabenkollektoren
Ein Grabenkollektor ist in Form und Funktion dem Flächenkollektor sehr ähnlich. Grundsätzlich sind hier die Soleleitungen parallel übereinander in einem stehenden Register angeordnet. Der Graben ist ca. 3 m tief und an seiner Basis ca. 1,2 m breit und vergrößert sich zur Oberfläche ansteigend auf etwa 2,5 m. Die Kollektorrohre sind in einem vertikalen Abstand von 10 cm verlegt. Dies ergibt je Graben-Meter eine Wärmetauschfläche von etwa 2,5 m².
Wie der Flächenkollektor ist auch die Kälteentzugsleistung des Grabenkollektors saisonal stark schwankend, sodass der thermischen Regeneration des Erdreichs zwischen den Heizperioden eine besondere Bedeutung zukommt. Daher ist es von Nöten, dass der Grabenkollektor auf dem Grundstücksteil eingebracht wird, der eine freie solare Einstrahlung und Versickerung des Regenwassers zulässt. Falls dieses gewährleistet ist und der Grabenkollektor in ausreichendem Umfang entsprechend der Heizlast ausgelegt wurde, ist die Vegetation über dem Grabenkollektor nicht beeinflusst.
Für die erreichbare Wärmepumpenleistung ist in erster Linie die Grabenlänge - nicht die Form - von Bedeutung. Die Herstellung eines Grabens und das Wiederanfüllen sind häufig günstiger als die Kosten für die notwendigen Erdbewegungen zur Einbringung eines Flächenkollektors. Trotzdem muss angeführt werden, dass aufgrund der hohen Abhängigkeit der Entzugsleistung von der in der Verlegetiefe des Grabenkollektors stark schwankenden Untergrundtemperatur, diese Technik nur zur Beheizung kleinerer Immobilien ohne größere Lastspitzen Verwendung finden sollte. Dies ist insbesondere in modernen, gut gedämmten Häusern mit Fußbodenheizung der Fall.
Kapillarrohrmatten/ Kompakt-Absorber
Der Vorteil des mehrheitlich von NIBE propagierten sogenannten Kompakt-Absorbers liegt in dem im Vergleich zu üblichen Kollektoren geringeren Flächenbedarfs. Daraus resultieren geringere Investitionskosten und eine von den Platzverhältnissen des Grundstücks unabhängigere Einsatzmöglichkeit.
Der Kompakt-Absorber besteht aus Kapillarrohrmatten, die horizontal und frostsicher etwa 1,20 m unter der Erdoberfläche verlegt werden. Bei Bedarf können diese auch partiell an verschiedenen Stellen auf dem Grundstück eingebracht werden. Durch niedrige Strömungsgeschwindigkeit soll angeblich ein optimaler Entzug der Wärme aus dem Erdreich gewährleistet sein. Wie bei jedem Flächenkollektor ist auch beim Kompakt-Absorber die stete Aufnahme neuer Energie im oberflächennahen Erdreich durch solare Einstrahlung und Regen notwendig, sodass die Kollektorfläche unbeschattet und nur mit Rasen begrünt sein sollte.
Beim Einsatz eines solchen Mini-Flächenkollektors ist große Vorsicht geboten. So kann eine unfachmännisch ausgeführte Installation insbesondere Entlüftung zum ungleichmäßigen Entzug der Erdwärme führen und langfristig zum gänzlichen Funktionsverlust führen. Trotz der propagierten Platzersparnis wird dringend empfohlen, den Kompakt-Absorber großzügig zu dimensionieren. Dies ist insbesondere bei trockenen Böden der Fall. Viele Beispiele aus der Praxis haben gezeigt, dass der Kompakt-Absorber ausschließlich in kleinen, gut gedämmten Neubauten mit Systemtemperaturen von unter 35°C zum Einsatz kommen sollte.
Hier finden Sie weitere Informationen zu Erdwärmegewinnung
>> Erdwärme aus Flächenkollektoren
Neueste Beiträge und Fragen zum Thema
Guten Tag, aufgrund der Bauparzelle - ca. 120 Meter über NN - werde ich keinen Kontakt zum Grundwasser erhalten. Ist die Alternative - hier Bohrungen zum Einbringen der Spirale - eine ausgereifte Alternative zu Wasser? Wie könnte man der Vereisungsgefahr entgegenwirken? KFW 40 Außenwandisolierung vorhanden. Nutzfläche Haus ca. 135 qm auf einer Ebene. Fußbodenheizung. Könnte man durch ein ausgebautes Dachgeschoß und Verkleinerung der Grundfläche einen wesentlichen Vorteil erzielen. Auf was wäre besonders zu achten?
Das Vorhandsein von Grundwasser spielt natürlich eine entscheidende Rolle zur Dimensionierung Ihres Erdwärmetauschers. Unabhängig welche Art des Erdwärmetauschers Sie wählen, werden Sie bei trockenen Bodenverhältnissen einen tendenziell größeren Erdwärmetauscher einsetzen müssen. Das heißt: mehr Bohrmeter, mehr Spiralsonden, einen größeren Flächenkollektor etc. Eine Vereisung des Erdwärmetauschers ist bei den Techniken, die oberflächennah bis in eine Tiefe von einigen wenigen Metern eingebracht werden nicht zu vermeiden. Im Gegenteil sogar gewünscht, um die Latentwärme nutzen zu können. Eine Erdsondenbohrung ist aus dieser geophysikalischen Sicht ein anderes System. Falls Sie eine Vereisung zum Hausanschluss meinen, so ist diese natürlich abhängig von der Dimensionierung Ihres Erdwärmetauschers. Entspricht dieser nicht der Geologie, der spezifischen Entzugsleistung und letztlich Ihrem Heizwärmebedarf, so kann es durchaus sein, dass eine Vereisung der Zuleitungen unter Umständen bis zur Hauseinführung resultiert. Die von Ihnen genannten baulichen Veränderungen, sofern diese nicht die Wärmedämmung berühren, haben keinen wesentlichen Einfluss auf Energiebedarf oder Systemtemperaturen.
Wie groß muss ein Energiekorb sein für eine Wärmelast von 10,5 KW (Heizung und WW)? Die Vorlauftemperatur sollte 55 °C sein.
Grundsätzlich bedarf es zur Abschätzung der Größe bzw. Anzahl der benötigten Energiekörbe natürlich der Nennung der Art des Energiekorbes sowie Angaben zur Geologie. Geht man von Ihrem Heizwärmebedarf von 10,5kW aus, so wäre nach VDI eine Kälteentzugsleistung von annähernd 8kW anzustreben. Nun divergieren die Angaben über spezifische Entzugsleistungen von Erdwärmekörben doch erheblich; natürlich auch aufgrund der Größe der Erdwärmetauscher und der grundstücksindividuellen Geologie. Nehmen wir eine durchschnittlich für geothermische Zwecke geeignete Geologie an, so ist vermutlich je nach Bauart des Korbes eine Kältenetzugsleistung von jeweils 500 Watt realistisch. Sie benötigen also 16 Energiekörbe. Hierbei ist wiederum auf genügend Abstand zwischen den Körben sowie auf eine geeignete hydraulische Abstimmung Wert zu legen.
Wir haben vor kurzem unser Kfw 60 Haus bezogen. Dies wird halb gewerblich genutzt. Deswegen auch rund 300 qm. Heizung: Fußbodenheizung in Verbindung mit Nibe Fighter 1240 und Nibe Kompaktabsorber ca 110 qm. Über dem Absorber werden gerade Parkplätze angelegt. Hier kommt ein Ökopflaster mit Lithon LP 5 Steinen zum Einsatz. Nach dem Lesen des Artikels über Nibe Kompaktabsorber nun die Frage(n): Ist unsere Heizung ausreichend dimensioniert und ist ein Parkplatz über dem Absorber überhaupt möglich? Ich weiß, Sie verkaufen selbst diese Heizsysteme. Würden Sie mir dennoch Ihre unverbindliche Einschätzung zukommen lassen?
Kurz zusammengefasst: Der Absorber ist zu klein. Etwas weiter ausgeholt, würde ich zustimmen, dass eine Heizleistung von 10 kW für ein hochwertig gedämmtes Gebäude mit 300 m² Nutzfläche, teilweise gewerblich, durchaus passt. Eine spezielle Nutzung der Gewerbefläche mit viel Kundenverkehr schliesse ich aus und gehe von einer büroartigen Nutzung aus.
Interessant ist hierbei nicht nur, dass ein Kompaktabsorber genutzt werden soll, sondern auch, dass Heizstäbe installiert sind, die offenbar fest zur Beheizung eingeplant sind. Wir versuchen dies stets zu vermeiden, ein Heizstabeinsatz ist lediglich dann akzeptabel, wenn eine Vorlauftemperatur von mehr als 55° C erzielt werden soll, z.B. zur Legionellenabtötung in Brauchwasserspeichern.
Wenn ich nun die Entzugsleistung überschlägig mit einer Arbeitszahl von 4,0 bewerte, so ergibt sich eine Kälteentzugsleistung von 7.500 W. (Bei kleineren Arbeitszahlen ergibt sich mehr Stromverbrauch, bei größeren Arbeitszahlen wird mehr Fläche benötigt.) Es muss sichergestellt sein, dass diese Entzugsleistung über den Heizzeitraum von ca. 2.000 h/a verfügbar ist.
Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) stellt Mitgliedern und Interessierten die anerkannten Regeln der Technik als VDI-Richtlinien zur Verfügung, diese sollten Grundlage für alle technischen Auslegungen sein. Nach der VDI-Richtlinie 4640, Blatt 2 gilt, dass bei Flächenkälteentzugsleistungen in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Bodens (hier sei feuchter Boden angenommen) von 25 W pro Meter Rohr gegeben ist. Als Randbedingung wird vorgegeben, dass die fraglichen Rohre in einem Abstand von 0,80 m zu verlegen sind. Hiermit ergeben sich 1,25 m Rohr pro m² Bodenfläche. Multipliziert mit 25 W/m ergibt sich eine potenzielle Entzugsleistung von 31,25 W/m².
Bei einer Gesamtkälteentzugsleistung von 7.500 W ergibt sich hiermit eine benötigte Fläche von 240 m².
Wird diese Fläche unterschritten, kommt es bei gleichbleibender Leistung des Bodens zu einer Vereisung, die den Effekt einer Isolierung hat, so dass die Temperaturen im Rohr immer weiter sinken, so lange die Wärmepumpe aktiv ist. Eine Kompaktabsorberverrohrung kann dem Boden auch nicht mehr Energie sinnvoll entziehen, wie Regen und Sonne pro Quadratmeter einbringen, da hilft auch die Feinmaschigkeit nicht weiter.
Sinkt die potenzielle Entzugsleistung, weil eine teilweise Versiegelung des Bodens wie in Ihrem Fall vorliegt, so kann es bereits bei kurzer Heizzeit zu einer Eisbildung kommen.
Folge: Der Stromverbrauch steigt drastisch an. Wird dies noch von einem Heizstabsystem unterstützt, welches zwar vielleicht den Boden bei seiner Regenerierung schützt, wenn der Heizstab bei einer Außentemperatur von vielleicht -5° C anspringt, dann steigen die Heizkosten dennoch, denn selbst eine sehr, sehr unwirtschaftlich eingestellte Wärmepumpe wird immer noch weniger Strom als ein Heizstab gleicher Wärmeleistung benötigen.
Wir empfehlen Ihnen, auf eine größere Kollektorfläche zu bestehen, oder sich eine Kälteentzugsleistung, bzw. Jahresarbeitszahl von 4,0 schriftlich garantieren zu lassen.
Welche Erfahrungen gibt es mit Grabenkollektoren und Direktverdampfung?
Der Einsatz eines Grabenkollektors ist aufgrund der dargestellten Einschränkungen in Deutschland noch eine Seltenheit. Daher ist es auch für uns schwierig, Ihnen Informationen über Erfahrungswerte des Betriebs des Grabenkollektors mitzuteilen.
Im Gegensatz dazu, ist die Anwendung des Direktverdampfungssystems in Deutschland besser zu beurteilen. Hier ist grundsätzlich zu sagen, dass sich die FKW-CO2-Sondentechnik noch im Entwicklungsstadium befindet. Diese sogenannte „Heat Pipe“ wird im Moment in Deutschland im Praxiseinsatz zum Beispiel in Schriesheim, Bad König, Crailsheim, Emsbach, Nordheim, Ludwigshafen, Kappelrodeck, Eppingen, Bammental, Waldburg (A) und Berlin in Einfamilienhäusern getestet. Aus diesen Feldversuchen kann zunächst festgestellt werden, dass die einzelnen erwähnten Pilotanlagen bereits während zweier bzw. einer Heizperiode in Betrieb sind, ohne, dass in dieser Zeit wesentliche Betriebsstörungen auftraten. Nur bei einer Anlage ergab sich durch einen Montagefehler eine CO2-Leckage zwischen dem Wärmerohr und dem Wärmetauscher, die aber durch Nachziehen der Flanschverschraubung unmittelbar behoben werden konnte. Es kann also durchaus gesagt werden, dass das Wärmerohr seine Funktionsprüfung im Feld erfüllen wird.
Es bleibt jedoch darauf hinzuweisen, dass die Genehmigungsfähigkeit von Anlagen mit Direktverdampfung bundesweit unterschiedlich geregelt wird. Zum Beispiel prüft das Umweltministerium Baden-Württemberg schon seit Längerem, ob das Direktverdampfungssystem eines französischen Herstellers wirklich kein Kältemittel ins Erdreich gelangen lässt. Solange halten auch die Wasserwirtschaftsämter der Landkreise eine Genehmigung zurück, wohingegen in Frankreich dieser Pumpentyp schon seit zehn Jahren läuft und auch in anderen Bundesländern wie Bayern oder Sachsen dieser bereits genehmigt wurde.
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