3 Sole/Wasser-Wärmepumpe

3.1 Wärmequelle Erdreich

Nutzungsmöglichkeit

• monovalent

• monoenergetisch

• bivalent (alternativ, parallel)

• bivalent regenerativ

3.1.1 Dimensionierungshinweise – Wärmequelle Erdreich

Der Erdwärmetauscher, der als Wärmequelle für die Sole/Wasser-Wärmepumpe dient, ist auf die Kälteleistung der Wärmepumpe auszulegen. Diese lässt sich aus der Heizleistung abzüglich der elektrischen Aufnahmeleistung der Wärmepumpe im Auslegungspunkt berechnen.

Grundsätzlich gilt für die Wärmequelle, dass die am Verdampfer der Wärmepumpe übertragene Leistung Q₀ dauerhaft zur Verfügung stellen muss. Dabei gilt:

Verdampferleistung Q₀ (kW_th) = Heizleistung Q_C (kW_th) – elektrische Aufnahmeleistung des Verdichters P_el (kW_el)

Beim Austausch einer alten Wärmepumpe gegen ein neueres Modell ist deshalb die Leistung des Erdwärmetauschers zu überprüfen und gegebenenfalls der neuen Kälteleistung anzupassen. Hier liefern die minimalen Soletemperaturen und die Laufzeiten der vergangenen Heizperioden wichtige Informationen über die Wärmequelle.

• Soletemperaturen liegen über einen längeren Zeitraum deutlich unter 0°C.
  => Die Wärmequelle kann evtl. die höheren Entzugsleistung einer effizienteren Wärmepumpe nicht sicherstellen. Der Einbau eines zweiten Wärmeerzeugers z.B. Heizstab wird empfohlen

• Die Wärmepumpe hat geringe Jahresvollbenutzungsstunden
  => Die Wärmepumpe scheint überdimensioniert zu sein. Der Austausch durch eine Wärmepumpe mit geringerer Heizleistung führt zu längeren Laufzeiten, geringeren Spitzenentzugsleistungen und somit zu einem effizienteren Betrieb. 

Der Wärmetransport im Erdreich erfolgt fast ausschließlich durch Wärmeleitung, wobei die Wärmeleitfähigkeit mit wachsendem Wassergehalt zunimmt. Ebenso wie die Wärmeleitfähigkeit wird das Wärmespeichervermögen maßgeblich vom Wassergehalt des Erdreichs bestimmt. Die Vereisung des enthaltenen Wassers führt zu einem deutlichen Anwachsen der gewinnbaren Energiemenge, da die Latentwärme des Wassers mit ca. 0,09 kWh/kg sehr hoch ist. Für eine optimale Ausnutzung des Erdreiches ist deshalb eine Vereisung um die im Erdreich verlegten Rohrschlangen nicht nachteilig.

Dimensionierung der Sole-Umwälzpumpe
Der Sole-Volumenstrom ist abhängig von der Leistung der Wärmepumpe und wird durch die Sole-Umwälzpumpe gefördert. Die Umwälzpumpe ist dabei so zu dimensionieren, dass ein der Verdampferleistung entsprechender Massenstrom gefördert wird. Entsprechend der Leistung sollte der Massenstrom so groß gewählt werden, dass sich bei niedrigster Wärmequellentemperatur eine Temperaturspreizung über den Verdampfer von 2 – 3 Kelvin einstellt. Bei höheren Soletemperaturen (z.B. Sommerbetrieb / Warmwasser) können sich auch größere Spreizungen ergeben.

Der in den Geräteinformationen der Wärmepumpe angegebene Soledurchsatz entspricht einer Temperaturspreizung der Wärmequelle von ca. 3 K. Neben dem Volumenstrom sind die Druckverluste in der Solekreisanlage und die technischen Daten der Pumpenhersteller zu berücksichtigen. Dabei sind Druckverluste in hintereinander geschalteten Rohleitungen, Einbauten und Wärmetauschern zu addieren.

Wartungshinweise
Um einen sicheren Betrieb der Wärmepumpe gewährleisten zu können, ist diese in regelmäßigen Abständen zu warten. Folgende Arbeiten können auch ohne spezielle Ausbildung ausgeführt werden:

• Reinigung des Schmutzfilters im Solekreislauf der Wärmepumpe

3.1.2 Bauaustrocknung

Beim Hausbau werden üblicherweise große Mengen an Wasser für Mörtel, Putz, Gips und Tapeten eingesetzt, das nur langsam aus dem Baukörper verdunstet. Zudem kann Regen die Feuchtigkeit im Baukörper zusätzlich erhöhen. Durch die hohe Feuchtigkeit im gesamten Baukörper ist der Wärmebedarf des Hauses in den ersten beiden Heizperioden erhöht.

Die Bauaustrocknung sollte mit speziellen, bauseitigen Geräten erfolgen. Bei knapp bemessenen Heizleistungen der Wärmepumpe und einer Bauaustrocknung im Herbst oder Winter empfiehlt es sich, insbesondere bei Sole/Wasser-Wärmepumpen, einen zusätzlichen Elektro-Heizstab zu installieren, um den erhöhten Wärmebedarf zu kompensieren. Dieser sollte nur in der ersten Heizperiode in Abhängigkeit der Solevorlauftemperatur (ca. 0 °C) aktiviert werden.

3.1.3 Soleflüssigkeit

Solekonzentration

Um Frostschäden am Verdampfer der Wärmepumpe zu verhindern, ist dem Wasser auf der Wärmequellenseite ein Frostschutzmittel zuzusetzen. Bei erdverlegten Rohrschlangen ist aufgrund der im Kältekreislauf auftretenden Temperaturen eine Frostsicherung von ‑14 °C bis -18 °C erforderlich. Zur Anwendung kommt ein Frostschutzmittel auf Monoethylenglykol-Basis. Die Solekonzentration bei einer Erdverlegung beträgt 25 bis maximal 30 Volumen-%.

Als Wärmeträgermedien wird ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel eingesetzt, um einen tieferen Gefrierpunkt zu erzielen. In der überwiegenden Zahl der Anlagen in Deutschland, Österreich und der Schweiz wird Ethandiol (Ethylenglykol) als Frostschutzmittel eingesetzt.

Empfohlen wird daher der Einsatz von reinem Monoethylenglykol, wenn sichergestellt werden kann, dass es im Betrieb aufgrund eines geschlossenen Solekreises zu keiner permanenten Zufuhr von Sauerstoff kommt (z.B. AFN 824, AFN 825).

Tab. 3.1: Zugelassene und von Dimplex empfohlene Frostschutzmittel

Die folgenden Frostschutzmittel werden aufgrund fehlender Langzeiterfahrung nicht freigegeben:

• „Thermera", das auf der Basis von Betain hergestellt wird und unter Umweltgesichtspunkten nicht unumstritten ist.

• "Tyfo-Spezial ohne Korrosionsschutzinhibitoren", da dieses Frostschutzmittel Buntmetalle wie z.B. Kupfer angreift.

• "Tyfo Spezial mit Korrosionsschutzinhibitoren", da dieses von unseren Lieferanten nicht offiziell freigegeben wird und so aggressiv ist, dass es bei Leckagen zur Korrosion an der Blechverkleidung führt.

Abb. 3.1: Gefrierkurve von Monoethylenglykol/Wasser-Gemischen in Abhängigkeit der Konzentration

Druckabsicherung
Bei ausschließlichem Wärmeentzug aus dem Erdreich können Soletemperaturen zwischen ca. 5 °C und ca. +20 °C auftreten. Aufgrund dieser Temperaturschwankungen kommt es zu einer Volumenänderung von ca. 0,8 bis 1 % des Anlagenvolumens. Um den Betriebsdruck konstant zu halten ist ein Ausdehnungsgefäß mit einem Vordruck von 0,5 bar und einem max. Betriebsdruck von 3 bar einzusetzen.

Füllen der Anlage
Das Füllen der Anlage sollte unbedingt in folgender Reihenfolge vorgenommen werden:

• Mischen der erforderlichen Frostschutzmittel-Wasser-Konzentration in einem externen Behälter

• Prüfen der vorab gemischten Frostschutzmittel-Wasser-Konzentration mit einem Frostschutzprüfer für Ethylenglykol

• Füllen des Solekreislaufes (max. 2,5 bar)

• Entlüften der Anlage (Mikroblasenabscheider einbauen)

Relativer Druckverlust
Der Druckverlust im Solekreislauf ist abhängig von der Temperatur und vom Mischungsverhältnis. Mit sinkender Temperatur und steigendem Anteil Monoethylenglykol steigt der Druckverlust der Sole an.

Abb. 3.2: Relativer Druckverlust von Monoethylenglykol/Wasser-Gemischen gegenüber Wasser in Abhängigkeit der Konzentration bei 0 °C und –5 °C

Tab. 3.2: Gesamtvolumen und Menge Frostschutz je 100 m Rohr für PE-Rohre und eine Frostsicherheit bis -14 °C

3.1.4 Materialien im Solekreislauf

Material für Erdkollektoren
In steinfreien Böden können Rohre aus PE 100 / PE-X eingesetzt werden. Bei steinigen Böden werden aufgrund der höheren Kerbschlagzähigkeit vernetzte Rohre aus Polyethylen (z.B. PE 100-RC / PE-X) mit einem Außendurchmesser von 32 mm empfohlen. Für Anwendungen, bei denen mit höheren Temperaturen im Solekreislauf zu rechnen ist (z.B. Energiezäune oder Abwärmenutzung), können PE-RT eingesetzt werden. Diese sind für Betriebstemperaturen von bis zu 70 °C einsetzbar.

Weitere Materialien
Bei der Verwendung weiterer Materialien wie z.B. Kupfer, Messing oder Edelstahl im Solekreislauf ist die Korrosionsbeständigkeit der Materialien zu überprüfen. Auch durch anfallendes Schwitzwasser an nicht oder ungenügend gedämmten Rohrleitungen im Solekreislauf kann es zu Korrosion kommen.

3.1.5 Parallelschaltung von Sole/Wasser-Wärmepumpen

Bei der Parallelschaltung von Sole/Wasser-Wärmepumpen ist darauf zu achten, dass es im Solekreislauf nicht zu einer Fehlströmung in einzelnen Wärmepumpen kommt. Ist nur eine Wärmepumpe in Betrieb, kann es bei einer fehlenden Rückschlagklappe im Solekreislauf zu einer Fremdströmung durch den Wärmetauscher der zweiten Wärmepumpe kommen. Um dies zu verhindern, ist nach jeder Solekreispumpe im Vorlauf eine Rückschlagklappe zu installieren.

Abb. 3.3: Parallelschaltung von Sole/Wasser-Wärmepumpen

Zu einer ähnlichen Fehlströmung kann es auch beim Einsatz einer passiven Kühlstation (PKS) kommen. Hier ist ebenfalls bauseits nach jeder Soleumwälzpumpe eine Rückschlagklappe/Rückflussverhinderer zu installieren.

3.2 Erdwärmekollektor

Erdwärmekollektoren entnehmen dem Untergrund unter der freien Erdoberfläche saisonal gespeicherte Energie. Es wird insbesondere der Phasenwechsel flüssig/fest des im Boden befindlichen Wassers als Latent-Wärmespeicher im Winter ausgenutzt. Die maximale Entzugsleistung und die Jahresentzugsarbeit werden durch die Speicherkapazität, die Wärmetransporteigenschaften und die thermische Regeneration des Untergrunds sowie die Kollektorgeometrie und die Betriebsweise der Anlage begrenzt. Hinsichtlich des Bodens ist dabei der Wassergehalt ein wesentlicher Einflussfaktor.

Maßgebend für die Leistungsfähigkeit von Erdwärmekollektoren ist die Ankopplung an die Erdoberfläche, da sie in den wärmeren Monaten vom Wärmeeintrag durch Außenluft, Solarstrahlung und Niederschläge
regeneriert werden. Die im Folgenden genannten Auslegungsrichtwerte und Einsatzgrenzen gelten deshalb ausschließlich für nicht überbaute oder versiegelte Erdwärmekollektoren, die vom natürlichen Boden bedeckt werden. Der Wärmezufluss aus dem Erdinneren ist kleiner als 0,1 W/m² und somit vernachlässigbar.

Die wichtigsten Kriterien für eine Systementscheidung und die Vorplanung sind nachfolgend zusammengefasst:

• Erdwärmekollektoren sind im Einzelfall bei der unteren Wasserbehörde anzeige- oder genehmigungspflichtig.

• Eine Überbauung des Erdwärmekollektors ist nicht zulässig. Die Geländeoberfläche über einer Kollektoranlage darf nicht versiegelt werden, da dies die Regeneration beeinträchtigt.

• Auf eine tief wurzelnde Begrünung über einem Kollektor ist zu verzichten. Die Vegetationsverzögerung über einem Kollektor beträgt im ungünstigen Fall etwa zwei Wochen.

• Folgende Mindestabstände und Richtmaße werden empfohlen:
  – zwischen Kollektor und Gebäuden: 1,2 m
  – zwischen Kollektor und Wasser führenden Leitungen: 1,5 m
  – zwischen Kollektor und Grundstücksgrenze: 1 m
  – Verlegetiefe des Kollektors: siehe Kapitel folgend
  – Verlegeabstand der Kollektorrohre: siehe Kapitel folgend

3.2.1 Verlegetiefe

In kalten Regionen können die Bodentemperaturen in 1 m Tiefe auch ohne Wärmenutzung den Gefrierpunkt erreichen. In 2 m Tiefe liegt die minimale Temperatur bei ca. 5  °C. Mit zunehmender Tiefe steigt diese Temperatur an, allerdings nimmt der Wärmestrom von der Erdoberfläche ab. Ein Auftauen der Vereisung im Frühjahr ist, bei zu tiefer Verlegung, nicht sichergestellt. Daher sollte die Verlegetiefe ca. 0,2 bis 0,3 m unter der maximalen Frostgrenze liegen. In den meisten Regionen Deutschlands ist dies bei 1,0 bis 1,5 m.

3.2.2 Verlegeabstand

Bei der Bestimmung des Verlegeabstandes d_a ist zu berücksichtigen, dass die sich um die Erdschlangen bildenden Eisradien nach einer Frostperiode soweit abgetaut sind, dass Niederschlagswasser versickern kann und sich keine Staunässe bildet. Die empfohlenen Verlegeabstände liegen je nach Bodenart und Klimaregion zwischen 0,5 und 0,8 m. In Regionen mit sandigen Böden kann auch ein Verlegeabstand von 0,3 bis 0,4 m notwendig sein.

• Je länger die maximale Dauer der Frostperiode, desto größer ist der Verlegeabstand und die dafür benötigte Fläche zu wählen.

• Bei schlechter Wärmeleitung des Bodens (z.B. Sand) ist bei gleicher Verlegefläche der Verlegeabstand zu reduzieren und somit die Gesamtrohrlänge zu erhöhen.

3.2.3 Kollektorfläche und Rohrlänge

Die benötigte Fläche für einen horizontal verlegten Erdkollektor hängt von folgenden Faktoren ab:

• Kälteleistung der Wärmepumpe

• Bodenart und Feuchtegehalt des Erdreichs und Klimaregion

• Maximale Länge der Frostperiode

• Jahresvollbenutzungsstunden

3.2.4 Verlegung von Solesammler und Soleverteiler

Die Soleverteiler verbinden Erdwärmesonden oder Erdkollektoren einfach und sicher mit einer Wärmepumpe. Als Wärmeträgerflüssigkeit zur Übertragung der Erdwärme kommt in der Regel ein Wasser-Glykol Gemisch zum Einsatz. In einem geschlossenen Kreislauf strömt die Sole von den Kollektoren- oder Sondenrohren über die Solesammler zur Wärmepumpe und über den Soleverteiler wieder zurück zur Wärmequelle.

Je nach Anzahl der zu durchströmenden Solekreise sind der Solesammler bzw. Soleverteiler zu montieren (siehe Abbildungen 3.4 und 3.5). Zur vollständigen Absperrung einzelner Kollektor- oder Sondenkreise (z.B. bei Leckagen) ist der Sammler wie auch der Verteiler mit Kugelhähnen ausgestattet. Die PE-Rohre der Kollektoren oder Sonden können direkt an den Kugelhähnen mit den fertig vormontierten Klemmringverschraubungen montiert werden.

Abb. 3.4: Montage Soleverteiler bis max. 8 Kreise

Abb. 3.5: Montage Soleverteiler für max. 16 (2 x 8) Kreise

Bei der Installation der Soleverteiler sind verschiedene Punkte zu beachten:

• Die Soleverteiler fest an einer Schacht- oder Gebäudewand montieren (z.B. mittels Wandhalterkonsole).

• Die Kollektor- bzw. Sondenrohre müssen von unten in einem Bogen spannungsfrei in die Verteiler eingeführt werden, um Längenausdehnungen während der Sommer- bzw. Winterzeit auszugleichen (Spannungsrisse).

• Idealerweise wird der Bogen mittels einer Schweißmuffe hergestellt.

• Außerhalb des Gebäudes sollten die Soleverteiler in zugängliche Schächte - vor Regenwasser geschützt - eingebaut werden.

• Bei der Schachtmontage wird empfohlen, die Kollektor- bzw. Sondenrohre im Erdreich mit einer ca. 20 cm starken Sandschicht zu überdecken bzw. zu unterbauen. Wird ein Bogen zur Kompensierung der Längenausdehnungen angeschweißt, sollte sich dieser hier über Erdgleiche befinden.

Abb. 3.6: Montage der Rohrleitungen am Soleverteiler

Abb. 3.7: Montage der Rohrleitungen mit Schweißwinkel am Soleverteiler

• Werden die Soleverteiler innerhalb eines Gebäudes installiert, sind diese sowie alle im Haus und durch die Hauswand geführten Rohrleitungen dampfdiffusionsdicht zu dämmen, um Schwitzwasserbildung zu verhindern.

• Je Kollektorkreislauf sollte das Kollektorrohr nicht länger als 100 m sein, bei Sondenrohren DN 32 sollte eine max. Tiefe von 80 m nicht überschritten werden – Druckverlust beachten.

• Alle Verschraubungen am Solesammler und -verteiler handfest anziehen. Anschließend mit einem Anzugsdrehmoment von 60 bis maximal 70 Nm festziehen. Überwurfmuttern beim Anziehen nicht beschädigen.

• Die Überwurfmutter zwischen Soleverteiler bzw. Solesammler und Kugelhahn (Klemmringverschraubung) mit einer Fettpaste bestreichen um Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern.

3.2.5 Installation des Solekreises

• Die einzelnen Solekreise müssen untereinander hydraulisch abgeglichen werden. Idealerweise werden Kollektorrohrschlangen gleicher Länge und Materialeigenschaft verlegt (Tichelmann-Prinzip). Stangregulierventile (z.B. Taco-Setter) in den einzelnen Solekreisen bedeuten einen zusätzlichen Druckverlust und dadurch höhere Leistungsaufnahmen der Umwälzpumpe im Wärmequellenkreis.

• Jeder Solekreis ist mit mindestens einem Absperrventil zu versehen.

• Die Solekreise müssen alle gleich lang sein, um eine gleichmäßige Durchströmung und Entzugsleistung der Solekreise zu gewährleisten.

• Die Erdwärmekollektoren sollten möglichst einige Monate vor der Heizsaison installiert werden, damit sich das Erdreich setzen kann.

• Die minimalen Biegeradien der Rohre gemäß Herstellerangabe sind zu beachten.

• Die Füll- und Entlüftungseinrichtung ist an der höchsten Stelle des Geländes zu installieren.

• Bei der Verlegung der Soleleitungen und des Zwischenkreises muss darauf geachtet werden, dass sich keine Luftsäcke bilden.

• Alle im Haus und durch die Hauswand geführten Soleleitungen (Vor- und Rücklauf) sind dampfdiffusionsdicht zu dämmen, um Wärme- bzw. Kälteverluste zu vermeiden und Schwitzwasserbildung zu verhindern.

• Alle soleführenden Leitungen müssen aus korrosionsbeständigem Material bestehen.

• Soleverteiler und Rücklaufsammler sollten außerhalb des Hauses installiert werden.

• Bei der Installation der Soleumwälzpumpe der Wärmequellenanlage sind die Temperatureinsatzbereiche der Pumpe in der Montageanweisung zu beachten. Die Position des Pumpenkopfes ist so zu setzen, dass kein Kondensat in den Anschlusskasten fließen kann. Bei einer Installation im Gebäude ist diese dampfdiffusionsdicht zu dämmen, um Kondenswasser und Eisbildung zu verhindern. Zusätzlich können schalldämmende Maßnahmen notwendig werden.

• Der Verlegeabstand zwischen soleführenden Leitungen und Wasserleitungen, Kanälen und Gebäuden sollte mind. 1,2 – 1,5 m betragen, um Frostschäden zu vermeiden. Kann aus baulichen Gründen dieser Verlegeabstand nicht eingehalten werden, sind die Rohre in diesem Bereich ausreichend zu dämmen.

• Erdwärmekollektoren dürfen nicht überbaut und die Oberfläche nicht versiegelt werden.

• Der Großentlüfter mit Mikroblasenabscheider sollte am höchsten Punkt des Solekreises sitzen. Die Installation des Solezubehöres kann sowohl im als auch außerhalb des Gebäudes erfolgen.

Abb. 3.8: Wärmepumpenkreislauf Wärmequellenseite

Legende Winkel T-Stück Reduziernippel Doppelnippel Pumpenanschlusshahn Dichtung Umwälzpumpe Doppelnippel Großentlüfter Doppelnippel Gefässanschlussgruppe mit Schnellentlüfter, Sicherheitsventil, Manometer Ausdehnungsgefäß Absperrbares Kappenventil Niederdruckpressostat Filtereinsatz|

Abb. 3.9: Aufbau Solekreiszuleitung inkl. Einbauten

3.2.6 Standard-Dimensionierung von Erdwärmekollektoren

Der unten aufgeführten Dimensionierungstabelle sind folgende Annahmen zugrunde gelegt:

• PE-Rohr (Solekreise): Rohr DIN 8074 32 x 2,9 mm – PE 100 (PN 12,5)

• PE-Zuleitungsrohr zwischen Wärmepumpe und Solekreis nach DIN 8074:

• Nenndruck PN 12,5 (12,5 bar)

• spezifische Entzugsleistung des Erdreichs ca. 25 W/m² bei 0,8 m Verlegeabstand

• Solekonzentration min. 25 % bis max. 30 % Frostschutzmittel (Glykol-Basis)

• Druckausdehnungsgefäß: 0,5 – 0,7 bar Vordruck

Unkritisch hinsichtlich der Druckverluste ist eine Erhöhung der Anzahl der Solekreise und eine Verkürzung der Stranglängen, wenn alle anderen Parameter unverändert bleiben. Bei abweichenden Rahmenbedingungen (z.B. spezifische Entzugsleistung, Solekonzentration) ist eine neue Dimensionierung der zulässigen Gesamtrohrlänge für den Vor- und Rücklauf zwischen Wärmepumpe und Soleverteiler erforderlich.

Die erforderlichen Mengen an Frostschutzmittel in Tab. 3.2 beziehen sich auf die angegebenen Wandstärken. Bei geringeren Wandstärken ist die Menge an Wasser- und Frostschutz zu erhöhen und so anzupassen, dass die minimale Solekonzentration von 25 Volumen-% erreicht wird.

* Pumpe Bestandteil "Solezubehörpaket SZB"

Tab. 3.4: Dimensionierungstabelle der Sole/Wasser-Wärmepumpen für eine spezifische Entzugsleistung des Erdreichs von 20 W/m² Erdwärmekollektor. (Annahmen: Solekonzentration 25 Volumen-% Frostschutzmittel, 100 m Stranglänge der einzelnen Solekreise, Rohre aus PE 100 (PN12,5), 32 x 2,9 mm nach DIN 8074 und 8075.

Anmerkungen:

• Kollektorlänge 100 m; DN 32 x 2,9

• Volumenstrom pro Kollektor: 0,6 m³/h

• Mischfaktor Wasser - Glykol: 1,5

• Druckverlust Kollektor: 0,52 mWS (Wasser)

• Druckverlust Kollektor: 0,78 mWS (Glykol)

• Entzugsleistung Erdreich: 20 W/m2²

3.3 Erdwärmesonden

Der häufigste Sondentyp, die Doppel-U-Sonde, besteht aus paarweise gebündelten U-förmigen Rohrschleifen. Seltener sind die aus nur einer Rohrschleife bestehenden Einfach-U-Sonden und die aus Innen- und Außenrohr bestehenden Koaxialsonden.

Bei einer Erdwärmesondenanlage wird ein Wärmetauschersystem in Tiefbohrungen von meistens 20 m bis 100 m ins Erdreich eingebracht. Als Rohrmaterial kommen fast ausschließlich die Kunststoffe PE 100, PE 100-RC und PE-X (PE: Polyethylen) zum Einsatz.

Die wichtigsten Kriterien für eine Systementscheidung und die Vorplanung sind nachfolgend zusammengefasst:

• Erdwärmesonden sind bis 100 m Bohrtiefe bei der unteren Wasserbehörde genehmigungspflichtig, Bohrtiefen über 100 m sind beim Bergamt genehmigungspflichtig.

• Eine Überbauung der Sonde ist nur für den frostfreien Betrieb zulässig.

• erforderliche Zufahrtsbreite für das Bohrgerät: mindestens 1,5 m für Raupen oder 2,5 m für Lkw

• erforderliche Arbeitsfläche für Bohrgerät, Spülwanne usw.: mind. 6 m × 5 m für Raupen, mindestens 8 m × 5 m für LKW

Die genaue Dimensionierung hängt jedoch von den geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen ab, die dem Installateur in der Regel nicht bekannt sind. Die Ausführung sollte daher einem vom internationalen Wärmepumpenverband mit Gütesiegel zertifizierten bzw. nach DVGW W120 zugelassenen Bohrunternehmen übertragen werden. In Deutschland ist die VDI-4640 Blatt 1 und 2 zu berücksichtigen. Bohrungen ab 100 m Tiefe unterliegen dem Bergrecht BBergG und müssen vorab durch die zuständige Behörde genehmigt werden.

Erdtemperaturen
Die Erdtemperatur liegt ab einer Tiefe von ca. 15 m das ganze Jahr über bei 10 °C.

Abb. 3.10: Darstellung des Temperaturverlaufs in unterschiedlichen Tiefen des Erdreichs und in Abhängigkeit eines jahreszeitlichen, mittleren Temperaturwertes an der Erdoberfläche

3.3.1 Auslegung von Erdwärmesonden

Erdwärmesonden sind grundsätzlich von Planungsbüros für Geothermie auszulegen. Eine überschlägige Ermittlung von Erdsonden auch im kleinen Leistungsbereich ist nicht zulässig. Dies ist notwendig, da sich die Entzugsleistung nach der Bodenbeschaffenheit und den wasserführenden Schichten richtet. Diese Faktoren können erst vor Ort durch eine ausführende Firma geklärt werden.

Die langjährige, rechnerische Simulation von Lastgängen ermöglicht es, Langzeitauswirkungen zu erkennen und in der Projektierung zu berücksichtigen. So hat z.B. die Nutzung der Sonde im Sommer für eine passive Kühlung positiven Einfluss auf die Regenerierung.

3.3.2 Erstellung der Sondenbohrung

Der Abstand der einzelnen Sonden zueinander sollte mindestens 6  m betragen, damit eine gegenseitige Beeinflussung gering und eine Regenerierung im Sommer sichergestellt ist. Wenn mehrere Sonden erforderlich sind, sollten diese nicht parallel, sondern quer zur Grundwasserfließrichtung angeordnet werden.

Folgende weitere Mindestabstände werden empfohlen:

• zwischen Sonde und Gebäuden: 2 m (die Statik darf nicht beeinträchtigt werden).

• zwischen Sonde und Wasser führenden Leitungen: 2 m bis 3 m (lokal unterschiedlich geregelt)

• zwischen Anbindungsleitungen und Wasser führenden Leitungen: 1,5 m

• Abstände zum Nachbargrundstück sind landesspezifisch unterschiedlich (Empfehlung VDI 4640 Blatt 2, Abstand zwischen Erdwärmesonden 6 m, Abstand zur Sonde des Nachbarn 10 m, in Abstimmung mit den Nachbarn sind Ausnahmen möglich).

Abb. 3.11: Anordnung und Mindestabstand von Sonden in Abhängigkeit der Grundwasserfließrichtung

In Abb. 3.12 ist ein Querschnitt durch eine Doppel-U-Sonde dargestellt, wie sie üblicherweise für Wärmepumpen verwendet werden. Bei diesem Sondentyp wird zunächst eine Bohrung mit dem Radius r₁ erstellt. Darin werden vier Sondenrohre und ein Verfüllrohr eingeführt und das Bohrloch mit einer Zement- Bentonit- Mischung hinterfüllt. In zwei Sondenrohren fließt das Sondenfluid hinab und in den anderen beiden wieder herauf. Die Rohre sind am unteren Ende mit einem Sondenfuß verbunden, sodass ein geschlossener Sondenkreislauf entsteht.

Abb. 3.12: Sondenquerschnitt einer Doppel-U-Sonde mit Verfüllrohr

3.3.3 Befüllung von Erdsonden

Genau wie bei Erdreichkollektoren werden Erdreichsonden im Allgemeinen mit einer 25 bis 30 Vol-% Glykollösung befüllt. Damit lassen sich ohne weiteres Soleeintrittstemperaturen in die Wärmepumpe von - 5°C erreichen. Durch den Glykolanteil ist die Wärmepumpe jedoch vor dem einfrieren geschützt.
In einigen Fällen kann es jedoch auch notwendig sein, die Erdsonde mit reinem Wasser ohne Frostschutz zu betrieben. In diesem Fall darf die Soleeintrittstemperatur nicht unter 0 °C fallen, da sonst das Wasser in der Soleleitung gefrieren kann und diese beschädigen würde. Deswegen sind beim Betrieb von Erdsonden mit Wasser verschiedene Punkte zu beachten:

• Statt einer Sole/Wasser-Wärmepumpe kommt eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe zum Einsatz

• Die minimale Soleaustrittstemperatur darf in diesem Fall nicht kleiner als 4 °C sein

• Die Übertragungsleistung der Sonde verringert sich aufgrund der höheren Temperaturen. Die Anzahl der notwendigen Sonden verdoppelt sich in etwa im Vergleich zu einer Erdreichsonde mit Wasser-Glykol.

• Der Vordruck des Sole-Ausdehnungsgefäßes ist von 2,5 bar auf 0,5 – 0,7 bar zu reduzieren.

3.4 Zubehör für die Wärmequelle Erdreich

3.4.1 Montagehinweise für den Anschluss des Wärmequellenkreises

An den Soleleitungen liegen im Wärmepumpenbetrieb teilweise Temperaturen von unter – 15°C an. Deshalb müssen im Gebäudeinneren beide Soleleitungen diffusionsdicht gedämmt werden, da ansonsten Schwitzwasser anfallen würde.

Die Mauerdurchführungen ins Gebäude sollten mit Brunnenschaum oder kälteunempfindlichen Rohrdurchführungen gedämmt werden. Alle Rohrdurchführungen durch Wände und Decken sind körperschallgedämmt auszuführen.

Die beim Betrieb der Wärmepumpe entstehenden Schwingungen durch den Verdichter (oszillierende Bewegung) werden durch die internen Schwingungsentkopplungen weitestgehend kompensiert. Bei ungünstigen Installationsbedingungen können ggf. noch Restschwingungen auftreten, die über die Rohrleitungen dann als Körperschall übertragen werden können. In diesem Fall sollten bei der Installation Wandschellen zur Befestigung der Soleverrohrung nicht zu nah an der Wärmepumpe positioniert werden, um eine zu starre Anbindung zu vermeiden. Kälterohrschellen vermeiden zudem Bauschäden durch Kondensatanfall. In besonders schwierigen Fällen kann die Montage von Kompensatoren Abhilfe schaffen die möglichst nah an der Wärmepumpe montiert werden.

3.4.2 Solepakete und Zubehör

Zur Nutzung der Wärmequelle Sole stehen folgende Sole-Zubehörpakte inkl. Umwälzpumpe zur Verfügung.

Tab. 3.5: Sole-Zubehörpakete für verschiedene Wärmepumpen

* Im Lieferumfang der Wärmepumpe

3.4.3 Pumpenzuordnungen 2-Verdichter Sole/Wasser-Wärmepumpen

Tab. 3.6: Übersichtstabelle der 2-Verdichter Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Erzeugerkreis- und Soleumwälzpumpen bei B7/W35 für Standardanlagen (im Lieferumgang der Wärmepumpe)

3.4.4 Solezubehörpakete für 2-Verdichter Sole/Wasser-Wärmepumpen PP 65-80F

Tab. 3.7: Übersichtstabelle der Solezubehörpakete für 2-Verdichter Sole/Wasser-Wärmepumpen

Sole-Flüssigkeitsmangel und Leckage
Um einen möglichen Flüssigkeitsmangel oder eine Leckage im Solekreis festzustellen bzw. um behördliche Auflagen zu erfüllen, kann der als Sonderzubehör verfügbare „Niederdruckpressostat Sole" in den Solekreislauf eingebaut werden. Dieser gibt bei einem Druckverlust ein Signal an den Wärmepumpenmanager, das die Sole/Wasser-Wärmepumpe sperrt.

1. Rohrstück mit Innen- und Außengewinde

2. Pressostat mit Stecker und Steckerdichtung

Abb. 3.13: Niederdruckpressostat Sole (Aufbau und Verschaltung)

Der Vordruck des Sole-Ausdehnungsgefäßes ist von 2,5 bar auf 0,5 – 0,7 bar zu reduzieren.

Das in der Skizze dargestellte Rohrstück ist zwischen Kappenventil und Ausdehnungsgefäß im Solekreis einzubauen. Der Pressostat ist mit dem am Rohrstück vorhandenen Anschlussstutzen zu verbinden. Durch das absperrbare Kappenventil kann das Niederdruckpressostat einfach ein- bzw. ausgebaut und auf Funktion geprüft werden. Bei der Funktionsprüfung des Niederdruckpressostat den Entleerungshahn so lange geöffnet halten, bis der Pressostat durch den Druckabfall im Solekreis den Wärmepumpenmanager und dadurch die Wärmepumpe über ein digitales Signal sperrt. Die Soleflüssigkeit dabei in einem geeigneten Behälter auffangen. Sollte der Niederdruckpressostat die Wärmepumpe bei ersichtlichem Druckabfall nicht sperren, ist der Aufnehmer auf Funktion zu prüfen und ggf. auszutauschen. Nach Beendigung der Überprüfung den Solekreislauf mit der aufgefangenen Soleflüssigkeit wieder befüllen. Anschließend den Solekreislauf auf Dichtheit und die Wärmepumpe auf deren Funktion prüfen.

3.5 Weitere Wärmequellenanlagen zur Erdwärmenutzung

Alternativ zu Erdkollektoren werden auch andere Bauarten von Wärmequellenanlagen wie Erdwärmekörbe, Grabenkollektoren, Energiepfähle, Spiralkollektoren usw. angeboten. Die Auslegung dieser Wärmequellenanlagen muss nach den Angaben des Herstellers bzw. des Lieferanten erfolgen. Der Hersteller muss die langfristige Funktion des Systems gemäß den folgenden Angaben garantieren:

• Minimal zulässige Soletemperatur

• Kälteleistung und Soledurchsatz der eingesetzten Wärmepumpe

• Betriebsstunden der Wärmepumpen pro Jahr

Zusätzlich sind folgende Informationen zur Verfügung zu stellen:

• Druckverlust beim angegebenen Soledurchsatz zur Auslegung der Soleumwälzpumpe

• Mögliche Einflüsse auf die Vegetation

• Installationsvorschriften

Mögliche Optimierungen der Entzugsleistungen hängen in erster Linie von den Klimabedingungen und der Bodenart ab und nicht von der Art der Wärmequellenanlage.

3.6 Wärmequelle Wasser mit Zwischenwärmetauscher

3.6.1 Erschließung der Wärmequelle Wasser bei Verunreinigungen

Zur indirekten Nutzung der Wärmequelle Wasser können Sole/Wasser-Wärmepumpen über einen Zwischenkreislauf mit zusätzlichem Edelstahl-Wärmetauscher betrieben werden. Dazu wird im Wärmequellenkreislauf der Wärmepumpe ein zusätzlicher Wärmetauscher installiert und der Zwischenkreislauf mit Monoethylenglykol gefüllt.

Durch den externen Edelstahl-Wärmetauscher besteht die Möglichkeit, die Wärmequelle Grundwasser auch in Gebieten mit stärkeren Wasserverunreinigungen zu nutzen. In Gebieten mit einer ganzjährigen Wassertemperatur unter 13 °C ist keine Wasseranalyse hinsichtlich Korrosion notwendig.

Es stehen verschiedene Paketlösungen, bestehend aus Wärmepumpe, Wärmetauscher, passendem Solezubehör und einem Sicherheitsthermostaten, als Einfrierschutz für die Wärmepumpe zur Verfügung. Die Heizleistung der Wärmepumpen wird in diesem Fall abweichend beim Betriebspunkt B7/W35 angegeben. Dies entspricht einer Soleeintrittstemperatur von 7 °C bei einer angenommenen Wassertemperatur von 10 °C und einer Grädigkeit, bzw. Spreizung über den Wärmetauschers von 3 K.

Tab. 3.8: Wärmepumpenpakete mit Zwischenwärmetauscher

Abb. 3.14: Wärmepumpe mit Zwischenwärmetauscher

Der Durchflussschalter im Primärkreis (FS) verhindert ein Einschalten der Wärmepumpe bei fehlendem Volumenstrom der Kühl- bzw. Grundwasserpumpe.

Der zwischengeschaltete Wärmetauscherkreislauf ist bei Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Frostschutzmittel (von mindestens -14 °C) zu befüllen.

Der Solekreis ist in gleicher Weise wie bei herkömmlichen Erdreichkollektoren oder Erdwärmesonden mit Umwälzpumpe und Sicherheitsarmaturen auszuführen. Die Umwälzpumpe ist so zu dimensionieren, dass es im Zwischenwärmeaustauscher nicht zum Eingefrieren kommt.

Beim Einsatz einer Sole/Wasser-Wärmepumpe können im Sekundärkreis Temperaturen unter 0 °C auftreten. Zum Schutz des Zwischenwärmeaustauschers ist dieser über ein zusätzliches Frostschutzthermostat (T) abzusichern. Dieser ist am Wasseraustritt des Primärkreises zu installieren, um ein Eingefrieren des Wärmeaustauschers sicher zu verhindern. Bei Abschaltung des Thermostats wird die Wärmepumpe über den digitalen Eingang ID3 des Wärmepumpenmanagers gesperrt. Das Thermostat sollte zusätzlich als Störmeldung an die eventuell vorhandene Gebäudeleittechnik weitergeführt werden, um ein Takten der Wärmepumpe zu verhindern. Der Abschaltpunkt des Thermostates (z.B. 4 °C) ist abhängig von der bauseitigen Anlagenkonfiguration, den Messtoleranzen und Hysterese.

Die maximal zulässigen Vorlauftemperaturen auf der Wärmequellenseite einer Sole/Wasser-Wärmepumpe betragen 25 °C. Um ein Abschalten der Wärmepumpe aufgrund zu hoher Soleeintrittstemperaturen zu verhindern, gibt es verschiedene Möglichkeiten die im folgenden Kapitel beschrieben sind.

3.6.2 Erweiterung des Temperatureinsatzbereichs

Bei schwankenden Temperaturen der Wärmequelle empfiehlt sich der Einsatz einer Sole/Wasser-Wärmepumpe, da hier minimale Soleaustrittstemperaturen von -9 °C möglich sind. Im Vergleich, Wasser/Wasser-Wärmepumpen schalten bereits ab einer minimalen Wasseraustrittstemperatur von 4 °C ab. Die maximale Soleeintrittstemperatur liegt sowohl bei Sole/Wasser- als auch bei Wasser/Wasser-Wärmepumpen bei 25 °C. Ein Über- bzw. Unterschreiten der Einsatzgrenzen kann auf verschiedene Arten verhindert werden.

Abb. 3.15: Wärmepumpe mit thermostatisch geregeltem 3-Wege-Ventil im Solekreislauf M21 (bauseits zu stellen)

Variante 1 - Wärmepumpe mit 3-Wege Ventil
Im Solekreislauf wird ein thermostatisch gesteuertes 3-Wege-Ventil installiert. Steigt die Soleeintrittstemperatur über 25 °C an, wird über den Mischer ein Teilvolumenstrom des Solerücklaufs dem Solevorlauf beigemischt. Die Ansteuerung des Mischers erfolgt durch eine externe Regelung.

Variante 2 - Wärmepumpe mit Pufferspeicher im Solekreislauf
Variante 2 sieht den Einsatz eines Pufferspeicher im Solekreislauf vor (siehe Abb. 3.16 auf S. 22). Durch eine externe Regelung wird der Pufferspeicher über die Pumpe P1 beladen. Ab einer minimalen Temperatur von 3 °C im Pufferspeicher wird die Pumpe angesteuert und belädt diesen. Ab einer Temperatur von maximal 24 °C schaltet die Pumpe P1 ab. Durch den Wärmepumpenmanager wird die Wärmequellenpumpe (Primärumwälzpumpe M11) im Solekreislauf angesteuert. Wird am Temperatursensor (R6) eine Temperatur von 3 °C unter bzw. eine Temperatur von 25 °C erreicht, schaltet der Wärmepumpenmanager die Wärmequellenpumpe ab. Der Solekreislauf ist mit Glykol mit mindestens 25-Vol.% zu befüllen.

Abb. 3.16: Wärmepumpe mit Pufferspeicher im Solekreislauf

3.7 Wärmequelle Absorbersysteme (indirekte Nutzung der Luft- bzw. Sonnenenergie)

Verfügbarkeit
Einschränkung durch Witterungseinflüsse und begrenzte Flächen möglich.

Nutzungsmöglichkeit

• bivalent

• monovalent in Kombination mit zusätzlichem Erdwärmekollektor

Erschließungsaufwand

• Absorbersystem (Energiedach, Rohrregister, Massivabsorber, Energiezaun, Energieturm, Energiestapel, usw.)

• Sole auf der Basis von Ethylenglykol oder Propylenglykol in frostsicherer Konzentration

• Rohrleitungssystem und Umwälzpumpe

• Baumaßnahmen

Besonders beachten:

• bauliche Erfordernisse

• Witterungseinflüsse

Dimensionierung Absorbersysteme
Bei der Dimensionierung von Dachabsorbern, Energiesäulen oder -zäunen unterscheiden sich die einzelnen Konstruktionen erheblich, so dass grundsätzlich die vom Hersteller garantierten Angaben zur Auslegung herangezogen werden müssen.
Wie die Praxis zeigt, kann man jedoch folgende Daten zugrunde legen:

• Die Auslegung der Absorberfläche sollte prinzipiell nach der angegebenen Nachtleistung des Absorbers erfolgen.

• Bei Lufttemperaturen oberhalb 0 °C kann Regen, Tauwasser oder Schnee bei tiefen Soletemperaturen auf der Absorberoberfläche gefrieren, wodurch der Wärmefluss negativ beeinflusst wird.

• Monovalenter Betrieb ist nur in Kombination mit einer Erdwärmenutzung möglich.

• Bei solaren Energiegewinnen in der Übergangszeit treten Soletemperaturen von 50 °C und mehr auf, die den Einsatzbereich der Wärmepumpe übersteigen.

Solekonzentration
Bei Dachabsorbern, Energiezäunen u.a. ist bedingt durch die tiefen Außentemperaturen eine Frostsicherung von –25 °C erforderlich. Die Solekonzentration beträgt bei diesem System 40%. Bei steigender Solekonzentration sind erhöhte Druckverluste bei der Auslegung der Soleumwälzpumpe zu berücksichtigen.

Füllen der Anlage:
Das Befüllen der Anlage erfolgt wie im Kapitel “Soleflüssigkeit” beschrieben.

Auslegung des Ausdehnungsgefäßes:
Bei ausschließlichem Absorberbetrieb schwanken die Soletemperaturen zwischen ca. –15 °C und ca. +50 °C. Aufgrund dieser Temperaturschwankungen ist bei der Wärmequellenanlage ein Ausdehnungsgefäß erforderlich. Der Vordruck ist der Höhe des Systems anzupassen. Der maximale Überdruck beträgt 2,5 bar.

Luftbeaufschlagter Absorber

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