Untersuchung der Praxistauglichkeit mitteltiefer Erdwärme-Thermosyphons zur Gebäudeversorgung
Projektdurchführung
Umwelttechnik & Brunnenbau Wöltjen GmbH
Auf dem Kampe 3 a
31582 Nienburg
Zielsetzung
Das durchgeführte Projekt hatte die Zielsetzung zu untersuchen, inwieweit mitteltiefe CO2-Erdwärmesonden in Kombination mit Wärmepumpen zur Beheizung von Mehrfamilienhäusern, Gewerbeimmobilien sowie für Nahwärmenetze eingesetzt werden können. Die CO2-Erdwärmesonde ist eine passiv ohne zusätzliche Umwälzpumpe arbeitende Quelle für Erdwärme. In CO2-Phasenwechsel-Erdwärmesonden erfolgt der Wärmetransport bzw. die Zirkulation des Wärmeträgermediums durch sogenannten Naturumlauf. Das CO2 verdampft im unteren Teil der Sonde durch die Wärmezufuhr aus dem Erdreich, steigt dampfförmig in der Sonde auf und kondensiert oben im Kondensator aus, gibt die Wärme an den Kreislauf der Wärmepumpe ab und läuft füßig an der Rohrwand der Sonde herab. Vorteil dieser Sondenbauart ist, dass keine zusätzliche Energie benötigt wird, um das Wärmeträgermedium durch die Sonde zur Pumpe zu befördern und nur ein niedriger Platzbedarf entsteht, da die Leistung der Sonde in die Tiefe skaliert werden kann.
Über 3 Heizperioden wurden jeweils eine 368 m und eine 388 m tiefe Glattrohr- bzw. Wellrohrsonde mit nachgeschalteter Wärmepumpe zur Beheizung eines 1600 m² großen Bürogebäudes mit zwei Einliegerwohnungen eingesetzt und dabei messtechnisch überwacht.
Es sollte im Zeitraum von 3 Heizperioden durch messtechnische Überwachung von Sonden, Wärmepumpen, Gebäude und Erdreich nachvollzogen werden, ob die Sonden immer zuverlässig und ohne zu starkes Auskühlen des Erdreichs Erdwärme bereit stellen.
Arbeitsschritte
Über einen Zeitraum von 3 Heizperioden wurde die verbrauchsgesteuerte Nutzung der Sonden/Wärmepumpen-Kombination für ihre Eignung für den praktischen Einsatz als kommerzielle Lösung untersucht.
Folgende Fragestellungen waren hierzu betrachten:
- Liefert eine Sonde jederzeit genügend thermische Energie, um den Bedarf des Gebäudes zu decken?
- Kühlt das Erdreich um die Sonde über eine Heizperiode unzulässig aus und führt dies zu einer Minderung der Sondenleistung?
- Ist es möglich, die CO2-Sonden wie konventionelle Erdwärmesonden oder Kollektoren verbrauchsgesteuert über den Bedarf des Gebäudes zu belasten?
- Wie effizient ist die der Sonde nachgeschaltete Wärmepumpe und das Gesamtsystem.
Zur Beurteilung des Betriebsverhaltens sind an allen Komponenten Messtechnik und entsprechende Systeme zur Datenerfassung vorhanden, welche im Rahmen des Projekts ergänzt und erweitert wurden. An den Sonden selbst ist eine faseroptische Temperaturmessung im Zuge der Einbringung in Erdreich verlegt worden.
Es sind Temperaturen, Drücke, Volumenströme sowie Leistungen für die Auswertung erfasst worden.
Ergebnisse
Im Rahmen des dreijährigen Betriebs konnte die zuverlässige Wärmebereitstellung mit großer Versorgungssicherheit nachgewiesen werden. Sowohl die Glatt- als auch die Wellrohrsonde lieferten eine konstante Wärmequelle für die angeschlossene Wärmepumpe und sorgten somit für eine zuverlässige Beheizung der Gebäude.
Während des gesamten Zeitraums wurden die Sonden allein über den Wärmebedarf des Gebäudes mittels der Temperatur im Pufferspeicher geregelt. Es kam zu keinem Zeitpunkt zu einem Ausfall der Heizungsanlage und auch nicht zu einer 100%igen Auslastung einer der Sonden. Ebenfalls wurde kein unzulässiges Auskühlen des Erdreichs beobachtet, vielmehr kam es schon innerhalb der jeweils betrachteten Heizperiode zu einer Regeneration, also zu einem Wiederanstieg der Erdreichtemperatur vor Ende der Heizperiode.
Die in den Heizperioden untersuchte Glatt- und Wellrohrsonde sind zur Beheizung von Bestandsgebäuden geeignet, wobei hohe Vorlauftemperaturen von 40 °C bis 55 °C für das Heizungssystem im Gebäude kein Problem darstellen.
Im Zuge der Ergebnisauswertung wurden verschiedene Ansätze zur weiteren Optimierung der genutzten CO2-Phasenwechsel-Erdwärmesonden identifiziert wie auch Fragestellungen, die aktuell im Rahmen eines anschließenden Forschungsvorhabens von der Universität Hannover untersucht werden. Details finden sich im Abschlussbericht des Projektes.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Projektergebnisse wurden zu folgenden Veranstaltungen öffentlich präsentiert:
• Postervortrag beim Tag der Energieforschung 2023 Life2050 an der Leibniz Universität Hannover am 09.05.2023.
• Fachvortrag beim 8. GWE-Technik-Forum „Brunnenbau und Geothermie“ in Peine am 25.01.2024
• Posterpräsentation und Veröffentlichung im Rahmen der Eurotherm 2024 (06.2024): Investigation of the Operating Characteristic ofa Demand-Controlled 368 m Deep CO2 Thermosyphon Geothermal Borehole Heat Exchangerfor Building Heating (Journal of Physics Conference Series 2766(l):012106, DOI: 10.1088/1742-6596/2766/1/012106)
Die gesamten Projektergebnisse sollen weiterhin zeitnah in einem zusammenfassenden Artikel in einer entsprechenden Fachzeitschrift veröffentlicht werden.
Fazit
Über den gesamten Zeitraum konnte die zuverlässige Wärmebereitstellung für das Gebäude mit hoher Sicherheit nachgewiesen werden. Es kam zu keinem Zeitpunkt zu einen Ausfall der Heizungsanlage und auch nicht zu einer 100%igen Auslastung einer der beiden Sonden. Es wurde kein unzulässiges Auskühlen des Erdreichs beobachtet und es kam schon innerhalb des betrachteten Zeitraums zu einer Regeneration des Erdreichs.
Gegenüber Standartsonden wird durch den Einsatz von CO2-Sonden eine Baufläche im Verhältnis von ca. 8:1 eingespart, das bedeutet eine CO2-Sonde ersetzt ca. 8 Standardsonden. Insbesondere in städtischen Lagen mit engständiger Geschossbebauung bietet die mitteltiefe CO2-Sonde einen alternativlosen Lösungsansatz für die energetische Sanierung der Gebäude mittels geothermischer Wärmenutzung an.