Planungsgrundlagen für Erdwärmesonden

Die heutigen Sonden bestehen in der Regel aus zwei oder vier Kunststoffrohren – je ein oder zwei Vorlauf-­ und Rücklaufleitungen. Die Sonde wird in die vorbereitete Bohrung eingebracht und anschließend mit einer Suspension verpresst. Diese Verpressung bildet nach der Aushärtung eine dauerhafte, dichte und physikalisch stabile Verbindung der Erdwärmesonde zu dem umgebenden Gestein. Dadurch wird ein guter Wärmeübergang gewährleistet. Die Sole strömt vom Verteilerbalken aus durch die beiden Vorlaufrohre nach unten, wird im Sondenfuß umgelenkt und strömt über den Rücklaufverteiler zur Wärmepumpe zurück. Die dem Erdreich dabei entzogene Wärmemenge ist abhängig von mehreren standortspezifischen Einflussfaktoren. Geologische Einflussfaktoren sind dabei die Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität des Erdreiches. Ebenfalls beeinflusst die Lage des Grundwasserspiegels sowie die Grundwasserbewegung die Leistungsfähigkeit der Sonde, da durch strömendes Grundwasser zusätzliche Wärme zur Sonde transportiert wird. Weitere Einflussfaktoren sind:

• Dauer des Wärmeentzuges aus dem Untergrund (Jahresbetriebsstunden)
• gegenseitige Beeinflussung von Erdwärmesonden in größeren Anlagen
• Bohrlochdurchmesser und Bohrlochverfüllung

Bemessung

Die notwendige Länge der Erdwärmesonden ist generell so zu bemessen, dass es bei geplanter Leistungsentnahme bzw. -rückspeisung zu keiner unzulässigen Abkühlung bzw. Erwärmung der unmittelbaren Sondenumgebung kommt. Dies ist erfüllt, wenn die mittlere Temperatur des Wärmeträgermediums beim Heizen –1,5 °C nicht unterschreitet bzw. beim Kühlen die maximale Temperatur von 30 °C nicht übersteigt. Gemäß ÖWAV-Regelblatt 207 kann die Bemessung nach folgenden Methoden erfolgen:

• Bemessung nach Betriebsdaten bestehender Anlagen
• Bemessung nach der VDI 4640 – Thermische Nutzung des Untergrundes [7]
• Bemessung nach SIA 384/6 – Erdwärmesonden [8]
• Bemessung mittels numerischer Modellierung

Welche Methode im Einzelfall zur Anwendung kommt, richtet sich nach folgenden Gesichtspunkten: Als rasche Vorbemessung eignet sich das Verfahren nach VDI 4640. Als Eingangsparameter sind nur die geschätzten Betriebsstunden der Anlage sowie eine grobe geologische Ansprache des Sondenstandortes notwendig. Die Berechnung der erforderlichen Sondenlänge erfolgt auf Basis der spezifischen Entzugsleistung (Watt pro Laufmeter Sondenlänge). Bestehen im Umfeld des geplanten Sondenstandortes bereits Anlagen mit entsprechenden Betriebsdaten und werden dabei die laut Regelblatt vorgegebenen Temperaturgrenzwerte des Wärmeträgermediums eingehalten, so kann nach den spezifischen Entzugsleistungen der bestehenden Anlagen bemessen werden. Für kleine Anlagen mit überwiegendem Heizbetrieb eignet sich die Bemessung nach SIA 384/68. Voraussetzung dafür ist, dass die thermischen Parameter des Untergrundes am geplanten Sondenstandort bekannt bzw. mit ausreichender Genauigkeit abgeschätzt werden können.

Bei komplexeren Anlagen mit Heiz- und Kühlbetrieb bzw. bei Sondenfeldern ist die Bemessung mittels numerischer Modellierung durchzuführen. Der Modellierungszeitraum soll dabei die Zeit bis zum Erreichen eines neuen thermischen Gleichgewichtszustandes abdecken. Als Ergebnis der Modellrechnung wird die Temperaturganglinie des Wärmeträgermediums über den gesamten Modellierungszeitraum berechnet. Bei der Planung größerer Erdwärmesondenfelder sollte generell ein Thermal Response Test an einer Testsonde ausgeführt werden. Die Ergebnisse dieses Tests (effektive Wärmeleitfähigkeit und Bohrlochwiderstand) können direkt in der Modellrechnung übernommen werden und verbessern deutlich die Ergebnisse der Berechnung. Dadurch ist eine genauere und somit wirtschaftlichere Bemessung möglich. Die Herstellung einer Erdwärmesonde gliedert sich in folgende Arbeitsschritte:

1. Abteufen der Sondenbohrung bis auf die geplante Tiefe. Der Abstand der Bohrpunkte zur Grundstücksgrenze sollte dabei mindestens 2,5 m betragen, der Abstand zwischen den Sonden sollte etwa 8 m betragen.
2. Einbau der wassergefüllten Sondenverrohrung inklusive Verpressrohr bis zur Bohrlochsohle. Wichtig dabei ist, dass das Sondenbündel leicht und ohne großen Kraftaufwand in das Bohrloch gleitet.
3. Vollständige und lückenlose Verpressung des verbleibenden Ringraumes mit vorzugsweise thermisch verbessertem Verpressmaterial. Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit der Sondenverrohrung werden nach dem Verpressen ein Durchflusstest sowie eine Druckprüfung durchgeführt. Beide Tests werden protokolliert und der Baudokumentation beigefügt. Nach Abschluss dieser Tests werden die Sondenrohre bis zur Herstellung der horizontalen Anbindeleitung dicht verschlossen, um das Eindringen von Verunreinigungen zu verhindern.

[aus: Erdwärme! voraus, die Erde als Energiequelle. Technologieleitfaden Erdwärme, Stadt Wien Energieplanung]