4. Installation von Erdwärme- sondenanlagen - NRW spart Energie

6 2. Funktionsweise einer Erdwärmesondenanlage
Der Wärmetransport vom Erdreich zur Wärmepumpe kann
in 4 Teilbereiche unterteilt werden:
n Wärmeleitung vom Erdreich an das Verpressmaterial
n Wärmeleitung im Verpressmaterial zur Erdwärmesonde
Das Verpressmaterial sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, es sollte wasserundurchlässig und druckfest
sowie frostbeständig bis -10 °C und pumpfähig sein. Für
einen guten Temperaturübergang zwischen Untergrund
und Sonde sind kleine Bohrdurchmesser besonders
vorteilhaft.
n Wärmeleitfähigkeit des Sondenmaterials
Für Erdwärmesonden werden Polymere wie Polyethylen
(PE), Polypropylen (PP) oder Polybuten verwendet. Die
Wärmeleitfähigkeit bei Polyethylen liegt bei ca. 0,4 W/m K
n Wärmetransport von der Sonde an die Wärmeträgerflüssigkeit
Der Übergangswiderstand von der Sonde zur Wärmeträgerflüssigkeit
wird stark von der Strömungsform (laminar
oder turbulent) beeinflusst. Die Strömungsform kann
mit der Reynoldszahl Re ermittelt werden. Die Reynoldszahl
hängt vom Rohrdurchmesser, der Fließgeschwindigkeit
und der kinematischen Viskosität der Wärmeträgerflüssigkeit
ab. Ab einer Zahl von > 10.000 spricht man
von vollturbulenter Strömung.
n Transport der Wärme bis zum Verdampfer der Wärmepumpe
Um eine hohe Effizienz der Wärmepumpenanlage zu
erreichen, ist es notwendig, die Temperaturspreizung
zwischen dem Vor- und dem Rücklauf im Solekreis klein
zu halten (3 - 4 K sind optimal). Dabei hängt die Spreizung
vom Volumenstrom, von der Wärmekapazität der Trägerflüssigkeit
(Sole) und von der Wärmeleistung ab. Der
Volumenstrom wird von der Wahl der Umwälzpumpe
bestimmt, und auf die Wärmekapazität der Sole hat die
Viskosität des Frostschutzmittels und deren Konzentration
entscheidenden Einfluss.
2.3 Frost-/Tauwechsel bei einer Erdwärmesondenanlage
Die Temperatur der Sole hat maßgeblichen Einfluss auf die
Effizienz der gesamten Wärmepumpenanlage. Um einen
hohen Wirkungsgrad gewährleisten zu können, sollte die
Soletemperatur über das Jahr immer im positiven Bereich
sein.
Die Soletemperatur wird von folgenden Faktoren beeinflusst:
n Jahreszeit
n Planungsgüte der Anlage
n Qualität der Ausführung der gesamten Anlage
Ist die Wärmepumpenanlage durch eine fehlerhafte Planung
oder durch mangelnde Qualität der Ausführung überlastet,
kann es zu Soletemperaturen < 0° C kommen. Die Folge ist
ein Vereisen des Verpressmaterials und des umliegenden
Erdreichs. Bei nicht frostbeständigem Verpressmaterial
treten durch die Vereisung Massenverluste auf, wodurch
sich die Wärmeleitfähigkeit des Einzugraumes verringert,
was zu einem weiteren Absinken der Soletemperatur führt.
Damit wird ein Prozess in Gang gesetzt, der die Effizienz der
gesamten Wärmepumpenanlage negativ beeinflusst.
Sicherheitshalber sollte deshalb immer ein Verpressmaterial
verwendet werden, das bis -10 °C frostbeständig ist. Die
Frostbeständigkeit ist durch ein entsprechendes Testat zu
belegen.
Quellen:
n VDI 4640 T1: Thermische Nutzung des Untergrundes
Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte, 2000
n Praxis Wärmepumpe von Stefan Sobotta, Dortmund,
2008
n Bericht Wärmetransport vom Untergrund zur Sole
von Klemens Richter/Hanau, 2007