Optimierte Wärmeentzugsleistung mit abgeglichenen Solekreisläufen

Geothermische Wärmepumpenanlagen zählen inzwischen auch für größere Neubauten von Wohnbau- und Gewerbeobjekten zu den Favoriten unter den Heizsystemen. Die Wärmequelle Erdreich wird über Erdsondenfelder erschlossen. Im Kreislauf zwischen Wärmepumpe und Erdsonde zirkuliert Sole als Wärmeträgerflüssigkeit, die beim Durchströmen die Erdwärme aus der Tiefe holt. Die einzelnen Solekreise zwischen Sondenverteiler und Erdwärmesonden müssen einregulierbar und absperrbar sein. Ein von Taconova für den hydraulischen Abgleich von Soleverteilern entwickeltes Abgleichventil gewährleistet den wirtschaftlichen Betrieb einer Erdwärmesondenanlage und schützt den Untergrund durch einen gleichmäßigen Wärmeentzug vor zu hohen thermischen Belastungen.

Die Geothermie zählt mit der Sonnenenergie zu den unerschöpflichen erneuerbaren Energieressourcen. Die Wärmequelle Erdreich wird dabei über Erdwärmesonden (vertikal) oder Erdwärmekollektoren (horizontal) erschlossen. Um die geeignete Art des Wärmeentzugs zu bestimmen, sind Kenntnisse über die geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse sowie über die thermischen Eigenschaften des Untergrundes eine wesentliche Voraussetzung. Weit verbreitet ist die Erschließung mittels Erdwärmesonden, durch die ab einer Tiefe von etwa 15 – 20 m ein ganzjährig weitgehend
konstantes Temperaturniveau verfügbar ist. Der Bau einer Erdwärmesondenanlage setzt eine wasserrechtliche Erlaubnis voraus, die im Regelfall durch ein Bohrunternehmen bei der zuständigen Wasserbehörde gestellt wird. Mit Sondentiefen, die üblicherweise im Bereich zwischen 30 und 100 m liegen, können abhängig von der Beschaffenheit des Untergrundes von einer maximalen Wärmeentzugsleis­tung bis 50 W/m ausgegangen werden.
Im Primärkreislauf zwischen Wärmepumpe und Erdwärmesonde zirkuliert ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel als Wärmeträgerflüssigkeit (Sole), das beim Durchströmen dem umgebenden Erdreich Wärme entzieht. Die Wärmepumpenanlage bildet zusammen mit dem Heizsystem den Sekundärkreislauf, in welchem die Wärme der Soleflüssigkeit auf ein für die Gebäudebeheizung nutzbares Temperaturniveau angehoben wird. Ein großer Vorteil dieser Energietechnik ist die Möglichkeit, Heizung und Kühlung mit einem System abzudecken. Im Kühlbetrieb werden Erdsonden für die freie Kühlung genutzt.

Solekreisläufe erfordern hyraulischen Abgleich
Für den effizienten Betrieb geothermischer Wärmepumpenanlagen ist der richtig bemessene Wärmeentzug aus dem Erdreich die wichtigste Einflussgröße. Um die nötige Wärmeentzugsleistung zu erreichen, verteilt sich die Erschließung der Wärmequelle Erdreich bei größeren Gebäuden auf mehrere Erdsondenstränge. Zwischen den einzelnen vertikalen Sondensträngen ist ein Mindestabstand einzuhalten. Für Anlagen bis 30 kW und Sondenlängen bis 100 m hat sich allgemein ein Abstand von 10 m bewährt. Der Soleverteiler bildet das Bindeglied zwischen Wärmepumpenanlage und Erdwärmesonden und wird im Regelfall außerhalb des Gebäudes installiert, zum Beispiel in einem Betonschacht. Durch die erforderlichen Abstände der Sonden untereinander ergeben sich unterschiedliche Anbindelängen zum Verteiler bzw. Sammler der Solekreisläufe. Daraus resultieren unterschiedliche Druckverluste, die einen hydraulischen Abgleich der einzelnen Solekreisläufe erfordern. Um einen gleichmäßigen Wärmeentzug aus den Sondensträngen zu erzielen, ist deshalb die Einregulierung der Soll-Volumenströme am Soleverteiler erforderlich. Die für erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen geltende VDI-Richtlinie 4640 Blatt 2 fordert hierzu im Abschnitt 5.2.4, für die einzelnen Sondenstränge entsprechende Reguliereinrichtungen zur Einregulierung der Durchflussmenge vorzusehen [1]. Damit kann für jede Erdwärmesonde die gleiche Wärmeentzugsleistung erzielt werden, was auch die Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage ist.

Maßnahmen zum Schutz des Untergrunds bei Erdsondenanlagen
Der hydraulische Abgleich von Erdwärmesondenanlagen ist darüber hinaus erforderlich, um eine zu hohe thermische Belastung des Untergrundes zu vermeiden. So fordern die durch Gesetzgebungen (z. B. Landeswassergesetz) bestimmten wasserrechtlichen Grundlagen, dass eine Vereisung der Sondenanlage als Folge eines zu hohen Wärmeentzuges zu vermeiden ist. Dadurch sollen im Bereich zwischen Sondenaußenwand und der Bohrloch-Hinterfüllung Frost-/Tau-Wechsel verhindert werden. Aus Sicht der Gesetzgebung soll damit der Untergrund vor Schäden wie der Entstehung von Verwerfungen oder der Bildung von Durchlässigkeiten geschützt werden. Aus diesem Grund geben zum Beispiel auch die Landesumweltministerien die Empfehlung, die Verteileranlage hydraulisch einzuregulieren [2]. Für den Anlagenbetrieb haben Frost-/Tau-Wechsel die Folge, dass zwischen Sonde und Hinterfüllung Lücken entstehen, die den Wärmeübergang aus dem umgebenden Untergrund erheblich verschlechtern können.
Ein hydraulischer Abgleich der Solekreisläufe bewirkt außerdem im Kühlbetrieb (reversibler Betrieb der Wärmepumpe oder „Natural Cooling“-Umwälzbetrieb) eine gleichmäßige Ableitung der überschüssigen Wärme in das Erdreich, das bei Kühlbetrieb als Wärmesenke dient. Dadurch ist auch während der warmen Jahreszeit eine gleichmäßige Regeneration des Untergrundes gewährleistet.

Einregulierung mit direkter Kontrolle der Durchflussmenge
Die einzelnen Solekreise zwischen Sondenverteiler und Erdsondensträngen müssen nach den Vorgaben der geltenden Regelwerke einreguliert werden können und auch absperrbar sein. Für den hydraulischen Abgleich von Soleverteilern werden in der Praxis Abgleichventile zur Einregulierung der Durchflussmengen eingesetzt. Damit kann für jeden Erdsondenstrang die der rechnerisch zugrundegelegeten Wärmeentzugsleistung entsprechende Durchflussmenge einreguliert werden.
Das für den den hydraulischen Abgleich von Soleverteilern konzipierte Strangregulierventil TacoSetter Hyline ermöglicht die Einstellung des Soll-Durchflusswertes direkt in l/min, sodass keine Einstellwerte ermittelt werden müssen. Die geforderte Durchflussmenge wird über ein leichtgängiges Schrägsitzventil einjustiert und kann danach sofort an der Skala des integrierten Messkörpers zur Kontrolle abgelesen werden. Das von Taconova komplett neu entwickelte Abgleichventil TacoSetter Hyline wird aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Da im Anwendungsbereich der Geothermie Kunststoffrohrsysteme vorherrschend sind, lässt sich das Abgleichventil mit marktüblichen flachdichtenden Verschraubungsteilen mit G-Normgewinde in die Installation integrieren. Dies erspart spezielle Übergangsadapter, reduziert die Anzahl der Dichtstellen und erlaubt zudem eine werkzeuglose Montage, da die Verschraubungen nur von Hand angezogen werden müssen.

Literatur / Quellen:
[1] VDI 4640 Blatt 2, Thermische Nutzung des Untergrunds – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen; September 2001 / Entwurf Mai 2015.
[2] Wärmepumpen-Checkliste – Empfehlungen für Planung, Ausführung und Betrieb von Wärmepumpen-Heizungsanlagen; Ministerium für Umwelt, Klima und Energiemanagement Baden-Württemberg; 2012.