Geothermieanlagen

Geothermie ist laut VDI 4640 die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Erdoberfläche. Umgangssprachlich wird die Nutzung dieser Energie als Erdwärmenutzung bezeichnet. In Verbindung mit mehreren Wärmepumpen und -anlagensystemen bietet diese Energiequelle bei den heutigen Dämmstandards eine ganzjährige Alternative zu fossilen oder klassischen Energieträgern bzw. Energieerzeugungsanlagen.

Die Gewinnung der Erdenergie erfolgt, in dem man im Erdreich ein Wärmeträgermedium (Wasser, Wasser-Glykol-Gemisch, Ammoniak etc.) mit einem im Vergleich zum Erdreich geringerem (Heizen) oder höherem (Kühlen) Temperaturniveau umwälzt und dieses dabei aufheizt oder abkühlt.

Der ökonomische Vorteil bestehet darin, dass bei der Erdenergienutzung "nur" die zusätzliche Antriebsenergie von Wärmepumpen zur Transformation auf das Nutzniveau erforderlich ist. Im Heizfall können bei guten Jahresarbeitszahlen bis zu 75% der Energie dem Erdreich entnommen werden.

Die für eine sichere Anlagenauslegung erforderliche Ermittlung von Leistungen, zugehörigen Jahresgänge sowie der zu erwartende Jahresenergiebedarf für Heizen und Kühlen kann mit hinreichender Sicherheit nur mittels Berechnungen der thermischen Gebäude- und Anlagensimulation erfolgen. Zudem sind finite Berechnungsverfahren zur Auslegung großer Sondenfelder notwendig.

Vorteile:

  • alternative Energiequelle
  • unabhängiger von Ölpreisen
  • wirtschaftliche und umweltfreundliche Energieerzeugung
  • Senkung der Betriebskosten
  • regenerative Energieart, die positive Auswirkungen auf Gebäudezertifizierungen hat.

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Sehr oft wird die Wärmeübertragerfläche in Form geschlossener Anlagen wie Tiefensonden oder Energiepfählen errichtet. Offene Systeme sind dagegen selten. Technisch interessant ist die Nutzung von Erdenergie, weil sie im Gegensatz zur Solar- und Windenergie tatsächlich ganzjährig zur Verfügung steht.

Der gewinnbare Wärmestrom ist hauptsächlich von der Art der geologischen Schichten, insbesondere von deren Wärmeleitung abhängig. Informationen über die vorzufindenden geologischen Schichten existieren teilweise als Kartenmaterial. Ist dieses für den betreffenden Standort nicht verfügbar, muss die Zusammensetzung der geologischen Schichten mittels Probebohrungen und Geothermal-Response-Tests ermittelt werden.

Ausgehend von den nach der Grundlagenermittlung vorliegenden energetischen und geologischen Daten kann dann eine sichere Dimensionierung der Anlagensysteme stattfinden.

Signifikant für den zeitlichen Temperaturverlauf eines Sondenfeldes ist der geplante Energieentzug oder -eintrag im Verhältnis zur Leistungsfähigkeit der vorhandenen geologischen Schichten.

Bei einem Überwiegen, entweder des Heiz- oder des Kühlbetriebes, könnte die Ausgangstemperatur des Erdreiches am Ende eines Jahres nicht wieder erreicht werden.

Ein dauerhafter, nachhaltiger und gesamtwirtschaftlicher Betrieb eines Anlagensystems ist daher nur bei einem nahezu ausgeglichenen Betriebszustand über den Zeitraum eines Jahres zu erreichen.

Aufgabe der Planung ist es, ein ausgewogenes Energiemanagement für das jeweilige Objekt zu erarbeiten und mögliche Kompensationsprozesse zu erschließen.

Eine genaue Berechnung größerer Geothermieanlagen (gegenseitige Beeinflussung von Sonden, Langzeitverhalten, Beeinflussung der Umgebung des Sondenfeldes etc.) kann nur durch numerische Simulation erfolgen
(VDI 4640 Teil 2).

Beispiel: Jahresgang der Lastverläufe für Heizen und Kühlen für ein mittels Geothermie zu versorgendes Objekt

Geothermie

Beispiel: Jahresgang der Lastverläufe für Heizen und Kühlen für ein mittels Geothermie zu versorgendes Objekt

Beispiel Prinzipdarstellung Doppel-U-Rohrsonde

Bild 2

Eine weit verbreitete Form der Energiegewinnung sind Tiefensonden in der Form von Doppel-U-Rohrsonden.

Beispiel: mittlerer Temperaturverlauf in einem Sondenfeld über den Zeitraum eines Jahres bei überwiegendem Heizbetrieb

Bild 4

Beispiel: mittlerer Temperaturverlauf in einem Sondenfeld über den Zeitraum eines Jahres bei überwiegendem Heizbetrieb

Beispiel: Sondenfeld mit horizontalem Temperaturverlauf bei Energieeintrag

Bild 5