Erdwärmesonden

Eine andere Art von "Kollektor" ist die "Erdwärmesonde". Dieser Erdwärmeentzug fällt aber in den Bereich "Tiefen-Geothermie". Hier sind besondere Vorschriften zu beachten.

Die besondere Konstruktion z. B. der Terra-Umweltwärmesonde besteht darin, dass das von der Wärmepumpe entwärmte Medium nahezu ohne Wärmeaufnahme den Sondenfuß erreicht. Während die hydraulischen Querschnitte der auf- und absteigenden Rohrleitungen gleich sind, bieten die aufsteigenden Rohrleitungen zur Wärmeaufnahme ein etwa 2 ½ größere Oberfläche.

Das ermöglicht eine größere Wärmeaufnahme und dadurch kann bei gleicher Bohrtiefe (wie bei der handelsüblichen Doppel U Sonden) die Vor - und Rücklauftemperatur soweit angehoben werden, dass die Sonde im positiven Temperaturbereich gefahren werden kann.

Bei der Terra-Umweltwärmesonde verläuft die absteigende Flüssigkeit in einem isolierten zentralen Rohr. Die geothermische Wärme wird daher von den aufsteigenden Satellitenrohren auf der gesamten Sondenlänge aufgenommen.

Erdwärmekollektoren ohne Kontakt zum Grundwasser und außerhalb von Wasserschutzgebieten werden als flache Erdaufschlüsse anzeigefrei errichtet. Materialauswahl und Herstellung unterliegen grundsätzlich den allgemein anerkannten Regeln der Technik. Der Bodeneingriff ist vergleichbar mit der Errichtung eines unterkellerten Gebäudes. Bei geringen Grundwasserflurabständen kann dies zu einem Eingriff ins Grundwasser führen, der anzeige-pflichtig ist und eine wasserrechtliche Erlaubnis erfordert (§ 3 Abs. 1 Nr. 5 und Abs. 2 WHG).
Die unvorhergesehene Erschließung (unbefugt oder unbeabsichtigt) von Grundwasser hat der Unternehmer der Wasserbehörde unverzüglich anzuzeigen und die Arbeiten, die zur Erschließung geführt haben, einstweilen einzustellen.

Die Wasserbehörde trifft die erforderlichen Anordnungen (§ 37 Abs. 4 WG und § 35 Abs. 2 WHG).

In Wasser- und Heilquellenschutzgebieten gilt die jeweilige Schutzgebietsverordnung. Geothermische Anlagen sind nach § 19 Abs. 2 WHG in Verbindung mit der jeweiligen Schutzgebietsverordnung in den Wasserschutzgebietszonen I und II sowie in wasserwirtschaftlichen Vorrangflächen.
In den Zonen III/ IIIA/ IIIB der Wasser- und Heilquellenschutzgebiete sowie in wasserwirtschaftlichen Vorbehaltsflächen können Erdwärmekollektoren unter bestimmten Voraussetzungen zugelassen werden.

Diese Regelungen können in verschiedenen Bundesländern unterschiedlich sein.

Das zirkulierende Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch (Sole) wird als Wärmequelle für eine Wärmepumpe verwendet und dort im Verdampfer abgekühlt. Dabei ist die Sondenpumpe für bis zu 20 % des Stromverbrauchs der gesamten Wärmepumpenanlage verantwortlich. Bei einer richtige Auslegung kann der Stromverbrauch auf unter 10 % gesenkt werden. Hier sind die wichtigsten Auslegungsgrössen:

• Auslegung der Temperaturspreizung von Sondenvorlauf zu Sondenrücklauf
• Durchmesser der Erdwärmesonden
• Richtige Dimensionierung der Sondenverteiler und Zuleitungen
• Sondenlänge und Anzahl Sonden
• Wahl des Sondenflüssigkeit (reines Wasser oder Wasser-Frostschutz-Gemisch)
• Wahl der richtigen Sondenpumpe

Wenn die Erdwärmesonden tief genug gebohrt sind, dann sollte die  Temperatur des Sondenrücklaufs (die in die Erdsonde einströmende Sole) nie unter den minimal nötigen Wert der Wärmepumpe sinken.

Die Auslegung der Anlage setzt sich aus den Druckverlusten der Sonde, dem WP-Verdampfer, Verteiler, Volumenstrommesser und weiteren Bauteilen (z. B. Luftabscheider) zusammen. Grundlage für die Berechnung ist der Nennmassenstrom.

Nach dem Einbau der Erdwärmesonde darf kein Schmutz (Sand, Kiesel) in den Sondenkreislauf gelangen.  Die Rohrenden (Sondenkopf) müssen unmittelbar nach dem Einbau von der zuständigen Bohrfirma gut verschlossen werden (PE-Schweisskappe oder sehr gutes Klebeband). Verunreinigungen können bei der Umwälzpumpe oder beim Verdampfer der Wärmepumpe grosse Schäden verursachen.
Die richtig berechnete Menge Frostschutzmittel muss dem Füllwasser in einer Mischvorrichtung gut durchmischt direkt eingefüllt werden, damit aufgrund der Zähflüssigkeit des Konzentrates einzelne Erdwärmesonden nicht abgeschnitten werden. abgeklemmt werden und Sonden mit zu wenig Frostschutzmittel oder der Verdampfer nicht einfrieren können. Hierzu muss ein Misch-/Füllfass und eine Jetpumpe oder eine Pumpe mit ausreichender Förderhöhe (Förderdruck) eingesetzt werden.
Wenn die Solekonzentration von der Berechnung abweicht, kann zu Frost- und Korrosionsschäden kommen.

Vor dem Füllen der Erdwärmesondenanlage ist unbedingt der Vordruck des Membrandruckausdehnungsgefäßes (MAG) zu prüfen bzw. einzustellen (0.5 bis 1.5 bar oder nach Angabe des WP-Herstellers). Der Einbau eines Kappenventils für die Spülung und spätere Wartungen ist immer sinnvoll.

• Bei oder nach dem Einbau der Erdwärmesonde oder Erdkollektors kann Schmutz (Sand, Steine, Pflanzenteile) in den Sondenkreislauf gelangen. Deshalb ist darauf zu achten, dass die Rohrenden im Sondenkopf bzw. Verteilerschacht unmittelbar nach dem Einbau von der zuständigen Bohrfirma bzw. dem Ersteller des Kollektors gut verschlossen werden (PE­Schweisskappe oder sehr gutes Klebeband). Verunreinigungen können bei der Umwälzpumpe oder beim Verdampfer der Wärmepumpe erhebliche Schäden verursachen. Auch eine Biofilmbildung ist möglich. Deshalb sollte nur sauberes Wasser (Leitungswasser) in die Erdwärmesonden bzw. Kollektoren eingefüllt wird.
• Nur eine richtig berechnete Frostschutzmittelmenge, die mit einer entsprechenden Mischvorrichtung eingefüllt wird, führt zu einem störungsfreien Betrieb. Wenn das Konzentrat direkt eingefüllt wird, können aufgrund der Zähflüssigkeit des Konzentrates einzelne Erdwärmesonden- bzw. Kollektorkreise abgeschnitten werden. In den restlichen Kreisen zirkuliert mehr oder weniger nur Wasser, das beim Betrieb der Wärmepumpe gefrieren und somit auch den Verdampfer zerstören kann. Deshalb ist eine richtige Durchmischung der Soleflüssigkeit vor dem Füllen der Anlage besonders wichtig.
• Eine falsche Berechnung der Solekonzentration kann zu Frost- und Korrosionsschäden führen. Heutzutage gibt es Spezialanlagen, die mit 100% reinem Wasser betrieben werden. Hier muss beachtet werden, dass diese Anlagen eine ganz andere Auslegung der Erdwärmesonden- bzw. Kollektormeter erfordern.
• Die Konzentration des Frostschutzmittels muss mindestens so gewählt werden, dass eine Frostsicherheit nach den WP­Hersteller­Angaben gewährleistet ist und die geforderte Minimalkonzentration des Frostschutzmittel­Herstellers eingehalten wird (Schutz vor Verschlammung [Biofouling] und Korrosion). Für eine bessere Wärmeübertragung und eine geringere Pumpenleistung sollte jedoch die Frostschutzkonzentration so gering wie möglich sein.

Eine Befüllung mit einer Fertigmischung, welche die obigen Anforderungen erfüllt, ist empfehlenswert.

Nach dem Füllen müssen in der Regel die Kreise noch einmal luftfreigespült werden.

Eine eingebaute Erdwärmesonde kann im Gegensatz zu einer horizontalen Trinkwasserinstallation visuell nicht überprüft werden. Es ist vor der Übergabe eine Druckprüfung bzw. Dichtheitsprüfung (z. B. Kontraktionsverfahren) durchzuführen. Wobei man in der Praxis davon ausgeht, dass die Rohre ohne Verbindungsstellen normalerweise dicht sind, aber trotztdem geprüft werden müssen und darüber ein Protokoll ausgefertigt werden muss.

Da die Erdsonden aus Polyethylen-Rohre (PE) heutzutage sehr tief gebohrt werden, ergibt sich ein relativ hoher statischer Druck am Erdwärmesondefuß. Außerdem muss beachtet werden, dass die Kunststoffrohre unter Belastung kriechen. Das bedeutet, dass auch in einer dichten Erdwärmesonde der Fülldruck in der Sonde langsam abfällt, dadurch ist die Unterscheidung zu einer undichten Anlage schwierig.

Der Nenndruck der Erdwärmesondenrohre ist 16 bar, was eine Tiefe von 160 m entspricht. Wenn jetzt noch der Überdruck (bis 3 bar > Prüfdruck der 1,5fache Druck = 4,5 bar) der an der Oberfläche vorhandenen Bauteile dazugerechnet wird, dann wären nur Tiefen von 130 m nach den üblichen Prüfverfahren möglich. Für die Druckprüfung ist eine kurzfristige Überschreitung des Nenndruckes zulässig.

Zur Feststellung der Dichtheit muss die Anlage luftfrei gespült werden und die Flüssigkeitstemperatur der Umgebung anpassen und die oberirdischen Rohrleitungen und Bauteile dürfen nicht der direkten Sonnenbestrahlung ausgesetzt sein. Wenn ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch vorgesehen ist, wird dieses erst nach der Druckprüfung eingefüllt.

Beispiel einer Druckprüfung

Ablauf der Druckprüfung in Anlehnung an DIN V 4279-7. Für die Praxis wurde ein Protokoll (Diagramm) erstellt, in dem die einzelnen Schritte protokolliert werden. Quelle: Bundesamts für Energie BFE
1	Entspannungsphase: Beim Einbau der Erdwärmesonde und beim Durchflusstest wird nur ein geringer Differenzdruck auf das Rohr aufgebracht. Auf die Entspannungsphase kann darum verzichtet werden, ausser wenn nach einer Druckprüfung eine Nachprüfung gemacht werden muss.	60 Minuten entfällt üblicherweise
2	Druckaufbauphase: Druck aufbringen. Die Erdwärmesonde muss so schnell wie möglich auf 12 bar gebracht werden, d.h. diese Testphase darf 10 Minuten nicht überschreiten	10 Minuten maximal
3	Druckhaltephase: Eventuell nachpumpen. Während 10 Minuten ist der Druck auf 12 bar zu halten. Mindestdruck während dieser Zeit 10 bar. Der Druck wird protokolliert.	10 Minuten
4	Ruhezeit: Je nach Messapparatur werden die Hähnen zu den Erdwärmesonden geschlossen. Der Druck wird protokolliert. Der Druckabfall  darf maximal 30% betragen.	60 Minuten
5	Druckabsenkphase: Für eine Druckabsenkung von 2 bar, Wasser ablassen. Die Menge und der Druck werden protokolliert. Die Menge darf nicht mehr sein, als in Tabelle 3 aufgeführt. Falls die Wassermenge grösser ist, ist Luft im Kreislauf. Der Test muss inkl. Entspannungsphase wiederholt werden (zurück zu 1).
6	Kontraktionsphase: Die Erdwärmesonde zieht sich zusammen. Der Druck steigt wieder an. Der Druck wird im 10 Minuten Rhythmus protokolliert. Der Druck darf nicht abfallen, d.h. er sollte leicht ansteigen oder gleich bleiben. Fällt er hingeben messbar ab, ist das System undicht. In diesem Falle sind das Prüfgerät und die Verbindungen zuerst selber zu überprüfen. Anschliessend ist die Prüfung für jeden Kreis einzeln durchzuführen. Die Entspannungsphase ist zu beachten (zurück zu 1). Bei mit elektronischen Druckfühlern aufgenommen Druckkurven ist bezogen auf das Maximum ein Druckabfall von mehr als 0.1 bar nicht zulässig (Rauschen).
7	Die in DIN V 4279-7 vorgesehene Verlängerung bis total 1.5 Stunden mit einem maximal zulässigen Druckabfall von 0.25 bar, ist für Erdwärmesonden nicht sinnvoll, da in der Praxis auch bei dichten Erdwärmesonden vielfach ein grösserer Druckabfall gemessen wird (bis ca. 0.4 bar in 1.5 Stunden). Damit dient diese Verlängerung nicht zur Klärung, ob eine Leckage vorliegt, oder ob der Druckabfall durch die Ausdehnung des PE Materials verursach wird. Aus diesem Grund entfällt diese zeitliche Verlängerung für vertikale Erdwärmesonden.	1,5 Stunden