Planungsgrundlagen für thermische Grundwassernutzungen (Wasser-Wasser Wärmepumpen)
Grundwasser bietet durch seine konstanten Temperaturen sehr gute Voraussetzungen für eine Heiz- und Kühlnutzung. Selbst an den kältesten Tagen beträgt die Wassertemperatur immer noch 7 bis 12 °C. Über einen Förderbrunnen auf dem Grundstück wird Grundwasser entnommen und direkt der Grundwasserwärmepumpe zugeführt. Das aufgrund des Wärmeentzuges abgekühlte Wasser wird anschließend über einen Schluckbrunnen wieder dem Boden zurückgegeben. Der Abstand zwischen beiden Brunnen sollte mindestens 10 m betragen. Dabei ist die Fließrichtung des Grundwasserstromes zu beachten. Die Fördermenge der Brunnenpumpe wird durch die benötigte Heizleistung bestimmt. Als Faustformel kann die Heizleistung (in Kilowatt) mit 250 l/h multipliziert werden, dies ergibt dann die gesamte notwendige Wassermenge. Je mehr Energie ein Gebäude benötigt, desto größer muss die Brunnenanlage sein. Vor der möglichen Nutzung ist in jedem Fall eine wasserrechtliche Genehmigung einzuholen. Außerdem gilt es im Vorfeld zu prüfen, ob Grundwasser in ausreichender Menge und nutzbarer Qualität zur Verfügung steht.
Bei der thermischen Grundwassernutzung wird das aus dem Entnahmebrunnen entnommene Wasser im Wärmetauscher der Wärmepumpe abgekühlt bzw. aufgewärmt und dann dem Grundwasserkörper über einen Schluckbrunnen wieder zugeführt. Für einen wirtschaftlichen Betrieb einer solchen Wärmegewinnungsanlage ist ein geeigneter Grundwasserkörper Voraussetzung. Zur Beurteilung der Eignung müssen dessen hydrogeologischen und hydrochemischen Eigenschaften bekannt sein.
Hydrologische/hydraulische Parameter
Die Ergiebigkeit des Entnahmebrunnens muss auch für eine Dauerentnahme während einer starken Frostperiode gegeben sein. Dies ist durch einen Pumpversuch nachzuweisen. Dabei wird die Pumprate in mehreren Stufen bis zum geplanten Nenndurchfluss gesteigert und die dabei entstehende Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen gemessen. Die höchste Pumprate (etwa 1,2-facher Nenndurchfluss der Wärmepumpe) ist als Dauerstufe über mindestens 48 Stunden zu halten. Die Ergebnisse des Pumpversuches zeigen, ob der Entnahmebrunnen zur Versorgung der Wärmepumpe auch im Dauerbetrieb geeignet ist. Weiters kann auf die Versickerungsfähigkeit des Bodens rückgeschlossen werden.
Hydrochemische und physikalische Parameter
Die Temperatur und die chemische Zusammensetzung des Grundwassers haben einen wesentlichen Einfluss auf den Betrieb und die Lebensdauer der Anlage. Eine hydrochemische Untersuchung des Grundwassers ist daher noch vor Planungsbeginn unbedingt erforderlich.
Hinsichtlich der hydrochemischen Beschaffenheit sind besonders stark eisen- und manganhaltige Wässer zu nennen, da diese in Verbindung mit Sauerstoff zu Ausfällungen neigen. Diese Ausfällungen können zu Verlegungen von Brunnenfiltern, Förderpumpen, Wärmetauschern und Versickerungsanlagen führen und damit erhebliche Betriebsprobleme verursachen. Um hier größere Probleme im Betrieb der Anlage zu vermeiden, sollte bei ungeeigneten hydrochemischen Parametern von einer thermischen Nutzung abgesehen werden.
Bei geringfügigen Überschreitungen einzelner Parameter bieten sich folgende Möglichkeiten:
- Anordnung eines Zwischenkreiswärmetauschers
- direkte Rückgabe des thermisch veränderten Wassers in den Grundwasserkörper
Die Versickerung des Rückgabewassers hat in jedem Fall getrennt von der Versickerung von Niederschlagswässern zu erfolgen! In der Planungsphase von thermischen Grundwassernutzungsanlagen sind folgende Erfordernisse und Aspekte zu berücksichtigen: Ermittlung der Reichweite der Absenkung bzw. der Aufhöhung des Grundwasserspiegels beim Entnahmebrunnen bzw. beim Schluckbrunnen Ermittlung der Temperaturveränderung des Grundwassers im Bereich der Wiedereinleitung und des temperaturbeeinflussten Bereiches Eine Ausführung des Rückgabebrunnens als Sickerschacht ist gegenüber einem Bohrbrunnen anzustreben; nur in Ausnahmefällen soll eine direkte Einleitung in den Grundwasserkörper erfolgen (Gefahr der Verockerung und Versinterung im Sickerschacht durch Luftzutritt). Oberflächennahe Abdichtung der Bohrungen, wasserdichte Ausführung des Brunnenkopfes bzw. eines vorhandenen Vorschachtes, um einen Schadstoffeintrag in den Grundwasserkörper zu verhindern. Eine Wiederherstellung der das Grundwasser schützenden und trennenden Bodenschichten (Deckschichten) nach Fertigstellung einer Bohrung ist zu gewährleisten. Berechnung des erforderlichen Mindestabstandes zwischen dem Entnahmebrunnen und dem Schluckbrunnen zur Vermeidung eines hydraulischen und/oder thermischen Kurzschlusses; die Anlage ist entsprechend den standortspezifisch möglichen Abständen entsprechend anzupassen. Nachweis der Ergiebigkeit des Entnahmebrunnens und der Sickerleistung des Schluckbrunnens Um die thermischen und hydraulischen Wirkungen auf benachbarte Grundwassernutzungen zu minimieren, sind die benachbarten Anlagen zur erheben und in der Planung zur berücksichtigen. Dazu ist eine einfache Thermalfahnenberechnung nach Ingele durchzuführen.
[aus: Erdwärme! voraus, die Erde als Energiequelle. Technologieleitfaden Erdwärme, Stadt Wien Energieplanung]