Wärmequelle Erde

punktw i ssen
Ingenieurbüro für Technische Physik - Erneuerbare Energien, Wärmepumpensysteme
Wärmequelle: ERDE
Physikalische Eigenschaften und Erschließung der Wärmequelle ' Erde'.
Nach dem Temperaturverlauf und den typischen Erschließungsarten unterscheidet man bei der Wärmequelle Erde folgende Tiefenzonen:
Tiefe
Temperatur
Bemerkungen
0 ... 1,2 m
ca. -10 ... 25°C
Starke jahreszeitliche Schwankungen. Nur von Sonderbauformen
(z.B. 'Energiezaun') genutzt.
ca. 1,2 ... 1,5 m
ca. 3 ... 18°C
Direkt unterhalb der Frostgrenze, Bereich der mit
Flächenkollektoren erschlossen wird.
ca. 1,5 ... 5 m
ca. 10 ... 15°C
Geringe jahreszeitliche Schwankungen. Bereich der mit
Volumenkollektoren erschlossen wird
ca. 10 ... 100 m
ca. 10°C (jahreszeitlich
konstant)
Bereich der mit Erdwärmesonden erschlossen wird
> 100 m
Temperaturzunahme: 3°C /
100 m
Bereich der mit tiefen Erdwärmesonden erschlossen wird
Physikalische Eigenschaften Erde
Erde hat je nach Beschaffenheit und Feuchtigkeit stark schwankende physikalische Eigenschaften. Damit
kann auch die Ergiebigkeit als Wärmequelle stark schwanken.
Parameter
Wert
Bemerkungen
Dichte
1700 ... 2500 kg/m3
Abhängig von der Bodenbeschaffenheit
Wärmeleitfähigkeit
0,47 ... 2,1 W/mK
Abhängig von der Feuchtigkeit (höhere Wärmeleitfähigkeit bei
höherer Feuchtigkeit)
Wärmekapazität
0,22 ... 0,43 Wh/kgK
0,44 ... 0,86 kWh/m3K
Wert pro m3 ist berechnet für eine mittlere Dichte von 2000 kg/m3
Entzugsleistung
ca. 0,020 kW/m2
(Flächenkollektor)
ca. 0,045 kW/m (Erdsonde)
typische Schätzwerte für ca. 1800 WärmepumpenBetriebsstunden / Jahr, stark abhängig von der
Bodenbeschaffenheit und der Bodenschichtung
pro m3 Erdreich rechnet man mit einer maximalen
Entzugsleistung von 50 ... 70 kWh/Jahr
Erschließung
Folgende Eigenschaften wirken sich positiv auf die Ergiebigkeit der Wärmequelle Erde aus:
(1) Feuchtigkeit: Feuchtere Böden haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere spzifische
Wärme. Weiters kann dem gefrierenden Wasser zusätzlich die Schmelzwärme entzogen werden.
(2) Grundwasser: Grundwasserströme transportieren zusätzliche Wärme in den Bereich des Kollektors
und erhöhen dadurch die Entzugsleistung.
Bei Erdreich muss besonders auf die Regeneration der Wärmequelle in der heizungfreien Zeit geachtet
werden. Damit die Entzugsleistung nicht über die Jahre abnimmt, muss die während der Heizperiode
entzogene Wärme aus der Umgebung wieder zugeführt werden. Wenn Erdkollektoren bzw. Tiefensonden
auch zur passiven Kühlung verwendet werden, wird die Regeneration begünstigt.
Die Erschließung von Erdreich als Wärmequelle erfordert umfangreiche Grabungs- oder Bohrarbeiten. Diese
sind mindestens anzeige- oder meist sogar genehmigungspflichtig, insbesondere, wenn grundwasserführende Schichten betroffen sind.
Stand: 03.02.2016
Arbeitergasse 24, 7012 Zagersdorf, Österreich, http://punktwissen.at, [email protected]
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Erschließung
Beschreibung
Bemerkungen
Flächenkollektor
Die Sole einer Sole/Wasser Wärmepumpe
durchströmt Kunststoffrohre, die (ähnlich wie
bei einer Fußbodenheizung) knapp unter der
Frostgrenze in einem Abstand von 50 bis 80
cm verlegt werden.
Bei Direktverdampfer-Wärmepumpen besteht
der Kollektor aus kunststoffummantelten
Kupferrohren, die direkt vom Kältemittel der
Wärmepumpe durchflossen werden.
Oberfläche soll nicht dauerhaft verschattet sein
und darf nicht überbaut / versiegelt werden,
damit sich das Erdreich regenerieren kann
Im Verlauf der Heizperiode gefriert
normalerweise der Boden rund um die
Kollektorleitungen
Direktverdampfer-Kollektoren müssen oberhalb
der Grundwassergrenze verlegt werden.
Nötige Kollektorfläche für eine Wärmepumpe
mit 8kW Heizleistung bei einer
Jahresarbeitszahl = 4  min. 300m2
Volumenkollektor
Zur Reduktion der benötigten Grundfläche
werden durch unterschiedliche Kollektorbauarten (z.B. Grabenkollektor, Kollektorkörbe,
'Tornado-Sonden') auch tiefere Erdschichten
(Frostgrenze bis zu ca. 5m Tiefe) erschlossen.
Sonst arbeiten diese Kollektoren ähnlich wie
Flächenkollektoren mit Sole.
Die Wärme wird aus dem Erdvolumen um die
verlegten Kollektorrohre entzogen. Dieses
Volumen wird umso besser genutzt, je gleichmäßiger der Kollektor dieses Volumen durchsetzt.
Die Regeneration des Erdvolumens muss durch
ausreichende Dimensionierung (= weniger
Entzug pro Volumen) oder durch zusätzliche
Maßnahmen (z.B. Einbringen von Wärme im
Sommer) sichergestellt werden.
Nötiges Erdvolumen für eine Wärmepumpe
mit 8kW Heizleistung bei einer
Jahresarbeitszahl = 4  min. 300m3
Erdwärmesonde
In ein bis zu 150m tiefes Bohrloch mit ca. 15
cm Durchmesser wird die Erdwärmesonde
eingeführt und mit Bentonit vergossen.
Die gebräuchlichste Bauform ist die von Sole
durchflossene 'Doppel-U-Sonde'.
Bei mehreren Sonden muss ein Mindestabstand von ca. 6m eingehalten werden.
Das Erdreich um die Sonde sollte nicht
gefrieren, um die Bentonitummantelung nicht zu
beschädigen.
Ohne aktive Regeneration sinkt die Entzugsleistung über die Jahre (besonders bei zu
geringer Dimensionierung)
Risiko: Bodenschichten, Grundwasserschichten, Hohlräume, Gaseinschlüsse die im
Zuge der Bohrung erschlossen werden.
Nötige Sondenmeter für eine Wärmepumpe
mit 8kW Heizleistung bei einer
Jahresarbeitszahl = 4  ca. 135m
Stand: 03.02.2016
Arbeitergasse 24, 7012 Zagersdorf, Österreich, http://punktwissen.at, [email protected]
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