Erfahrungen aus dem Betrieb einer teilgedämmten Erdwärmesonde

Erdbau, Erneuerbare Energien, Geothermie, Wärmepumpe, Messtechnik

Hochschule Bielefeld

Fachbereich Campus Minden
Artilleriestr. 9
32427 Minden

Projektleitung

Prof. Dr. Hans-Georg Gülzow

Laufzeit
Betrieb seit September 2016

Projektförderung

Fachhochschule Bielefeld

Kurzbeschreibung

Bei konventionellen Erdwärmesonden ergibt sich zwischen Vor- und Rücklauf der Sonden ein thermischer Kurzschluss, wodurch im Rücklauf ein Teil der im Untergrund gewonnenen Wärme wieder verloren geht. Im Rahmen dieses Projekts wurde eine Erdwärmesonde mit gedämmten Rücklauf entwickelt und in einem identisch aufgebauten Doppelsystem mit einer ungedämmten Sonde verglichen. Die Wirksamkeit der Dämmung wird durch die Messergebnisse im Betrieb der Geothermie-Versuchsanlage bestätigt.

Die vergleichenden Messungen an der teilgedämmten und der konventionellen Erdwärmesonde zeigen zwei gegenläufige Effekte auf. Der Vorteil einer höheren Temperaturspreizung wird z.T. durch eine größere Temperaturabsenkung aufgehoben. Es verbleibt eine Leistungssteigerung von ca. 4 %.

Die Dämmung löst bei niedrigen Außentemperaturen auch ohne Betrieb der Wärmepumpe eine deutliche Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf in der teilgedämmten Erdwärmesonde aus. Damit zirkuliert die Sole in der Sonde ohne Pumpbetrieb infolge Schwerkraftwirkung. Es entsteht eine freie Konvektion mit einem Volumenstrom unter den hier gegebenen Randbedingungen von ca. q = 0,8 m³/h und einem Wärmestrom von ca. P = 0,9 kW. Mit dem Anschluss von thermoaktiven Flächen, z.B. beheizten Verkehrsflächen ist ein deutlich höherer Volumen- und Wärmestrom zu erwarten.

Veröffentlichungen

Gülzow, H.-G.; Hellwig, R.; Paetsch, H. (2011): Entwicklung eines Modellversuchs für die Optimie-rung von Erdwärmesonden. Veröffentlichungen des Fachbereichs Architektur und Bauingenieur-wesen der FH Bielefeld, Heft 8, 2011.

Wetter, O.; Gülzow, H.-G. (2016): Automatisierte Vergleichsmessung zweier Geothermie Versuchsanlagen mit modularem Datenlogger. AALE, Lübeck, 2016.

Gülzow, H.-G.; Wetter, O. (2018): Bericht zum FuE-Projekt „Optimierung von Erdwärmesonden“. FH Struktur 2014, Wissenschaftsministerium NRW

Gülzow, H.-G.; Wetter, O. (2018): Teil-gedämmte Erdwärmesonde – erste Erfahrungen aus der Betriebsphase. GeoTHERM, Offenburg, 2018.

Gülzow, H.-G.; Wetter, O. (2019): Erkenntnisse aus dem Betrieb einer teilgedämmten Erdwärme-sonde – Einsatzmöglichkeit für die Eisfreihaltung von Verkehrsflächen. Straße und Autobahn 3/2019

Abstract: Efficient use of Resources - Optimisation of Borehole Heat Exchanger

Available systems of near-surface borehole heat exchanger use a simple construction, in which the fore- and the return run are not thermal insulated from each other. Therefore a part of the heat obtained in the depth is lost during reflux to the surface. The projects aim is to reach a greater spread between the temperature of forerun and return run in the borehole heat ex-changer by insulating the return run pipe.

The concept of the integration of the test unit consisting of 2 borehole heat exchanger into the heating system of a building within the campus Minden of the FH Bielefeld and the controlling and monitoring system of the whole unit was designed and implemented by experts in geotechnical and electrical engineering. The borehole heat exchanger are working with an own heat pump each and are instrumented with sensors for temperature, flow and energy.

The borehole heat exchanger consists of 90 m long double-u-pipes. In one of the 2 borehole heat exchangers the return run pipes were build up with an insulating over half of the borehole depth. For controlling and monitoring a SPS – storage-programmable control system is used, which is executed by a Web-visu. The operation of the test unit was started in September 2016. The effectivity of the insulation has been proofed by the measuring results. The efficiency gained approximately 4 %.

In a phase without operation of the heat pump during winter 2016/17 a difference of tem-perature between the supply line and the return line was measured resulting in a free con-vection in the insulated borehole heat exchanger. This self-induced flow can be used to in-crease the effectivity and economic efficiency of ice-avoiding-systems in traffic surfaces.