Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Das Projekt ist in Verbindung mit dem vorangegangenen Projekt unter dem Az: 32284 \u201eHerstellung und Anwendung einer Erdw\u00e4rmesonde mit hohem W\u00e4rme\u00fcbertragungsverm\u00f6gen als Ringrohrsonde\u201c zu sehen.
\nAus numerischen Simulationen ist bekannt, dass eine Ringrohrw\u00e4rme\u00fcbertrager gegen\u00fcber den konventionellen Doppel-U-Rohr bis zu 30% mehr W\u00e4rmearbeit aus dem Erdreich gewinnen kann. Dieser W\u00e4rmetauscher soll an die Bohrlochgeometrie angepasst werden. Es soll in dem Projekt die technische Machbarkeit und die praktische Anwendung im Feldeinsatz nachgewiesen werden. Die Vorarbeiten aus dem Vorprojekt sollen mit der nachgewiesenen Messung der W\u00e4rmearbeit den energetischen Vorteil gegen\u00fcber den Standardsonden belegen.
\nEs soll gezeigt werden, dass die neue Sonde mit der vorhandenen Bohrtechnik eingebaut und mit den \u00fcblichen W\u00e4rmepumpen betrieben werden kann. Die Grundkonzeption der Sonde besteht aus einer Konstruktion mit mehreren Au\u00dfenrohren und einem Zentralrohr und einer Technologie f\u00fcr die funktionsgerechte Positionierung der Rohre im Bohrloch.
\nEs wird das Ziel verfolgt in der Klasse der oberfl\u00e4chennahen bis mitteltiefen Geothermie Zirkulationserdw\u00e4rmesonden die energetisch optimale und wirtschaftlich g\u00fcnstigste Erdw\u00e4rmesonde zu entwickeln.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenF\u00fcr die Arbeitsschritte wurden die offenen Aufgaben aus dem Vorg\u00e4ngerprojekt aufgenommen mit dem Ziel einen funktionsf\u00e4higen Prototyp f\u00fcr die praktische Erprobung zur Verf\u00fcgung zu stellen. Bei der Erprobung sind alle Anforderungen, die auch f\u00fcr die etablierten Sonden gelten, einzuhalten. Die Sonde muss die beh\u00f6rdlichen Anforderungen der Wasserbeh\u00f6rde erf\u00fcllen. Es ist sowohl f\u00fcr die Entwickler als auch f\u00fcr die Mitarbeiter der Genehmigungsbeh\u00f6rde Neuland. Die grunds\u00e4tzliche Konstruktion des neuen W\u00e4rmetauschers war durch die umfangreichen numerischen Simulationsergebnisse bekannt und best\u00e4tigt. Nur bei konsequenter Umsetzung der theoretischen Kenntnisse in die praktische Anwendung war eine Leistungsverbesserung der Ringrohrerdw\u00e4rmesonde (RRS) zu erwarten.<\/p>\n
Vor diesem Hintergrund und mit den gesammelten praktischen Erfahrungen wurde der Arbeitsplan aufgestellt. <\/p>\n
Bei der Suche nach einem geeigneten Musterprojekt f\u00fcr die Erprobung wurde schnell klar, dass es kaum Bauherren gibt, die f\u00fcr eine normale W\u00e4rmeversorgung sich auf eine noch nicht erprobte Erdw\u00e4rmesonde einlassen w\u00fcrden. Durch einen gl\u00fccklichen Umstand wurde bereits in einem fr\u00fchen Stadium der Bearbeitung ein Musterprojekt gefunden. Das bedeutete f\u00fcr den Ablauf, dass mit den Aufgaben des vierten Arbeitspaketes, das f\u00fcr das Ende der Bearbeitung vorgesehen war, um den Bauablaufplanes im Gesamtvorhaben des Bauherrn nicht zu st\u00f6ren, begonnen werden musste. Das betraf insbesondere die Arbeitspakete 12 und 13. In den Arbeitspaketen waren vorrangig Kunden- und Beh\u00f6rdenbesuche erforderlich, um ein Vertrauen f\u00fcr den Einsatz der Erdw\u00e4rmesonde bei den Entscheidungstr\u00e4gern zu finden. F\u00fcr ein ausschlie\u00dflich zur Forschung und Entwicklung dienendes Musterprojekt stehen die eigenen Mittel nicht zur Verf\u00fcgung, so dass zwischen den Bauherrenw\u00fcnschen und den Forschungszielen ein einvernehmlicher Weg gefunden werden muss. Eine regelm\u00e4\u00dfig genutzte Erdw\u00e4rmeanlage zur wohnlichen W\u00e4rmeversorgung bietet die idealen Bedingungen f\u00fcr eine vergleichende Nutzung und hat den Vorteil, dass praxisnahe Bedingungen ohne k\u00fcnstliche Eingriffe den Rahmen bilden. <\/p>\n
Die geplanten Arbeitsschritte mussten an die fast einmalige und kosteng\u00fcnstige Chance f\u00fcr eine Ersterprobung angepasst werden. Das wurde durch eine Umstellung der Reihenfolge des Ablaufplanes mit improvisiertem Aufwand m\u00f6glich. Dabei wurde das Risiko der nicht vollst\u00e4ndig erprobten Entwicklungsschritte vor dem Ersteinsatz in Abstimmung mit dem Bauherrn in Kauf genommen. Durch eine \u201eSonder\u201c-gew\u00e4hrleistung der BLZ Geotechnik GmbH wurde die Zustimmung des Bauherrn erreicht. Aus der \u00dcberzeugung der Simulationsrechnung wurde eine Garantie f\u00fcr eine gleiche oder bessere energetische Entzugsleistung gegen\u00fcber der Doppel-U-Rohrsonde und f\u00fcr die Dichtigkeit der Sonde \u00fcbernommen. <\/p>\n
Unter den neuen Bedingungen im Projektablauf konnten die Arbeitsschritte nicht in der optimalen Abfolge ausgef\u00fchrt werden. Die dringenden Aufgaben zur Absicherung des Ersteinsatzes hatten dabei Vorrang vor einer Fertigstellung der geplanten Vorhaben zur Herstellung. Der bohrtechnische Einsatz wurde aus den Erfahrungen der Testeinbauten mit dem neuen Kooperationspartner Wassermann GmbH vorbereitet. Die Sicherheit bei Ausfall der Sonde wurde durch Bereitstellung von Standardsonden erreicht, die im Bedarfsfall als Ersatz zum Einsatz gekommen w\u00e4ren. <\/p>\n
Aus dem zweiten Komplex der Konstruktion und Fertigung der Vorrichtungen zur Herstellung wurde die geplante Neukonstruktion des Sondenfu\u00dfes zur\u00fcckgestellt und eine qualit\u00e4tsgerechte Verschwei\u00dfung mit einem zus\u00e4tzlichen Hilfsprogramm bis zur sicheren Anwendung entwickelt. Die geplante Neukonstruktion des Sondenfu\u00dfes und die damit verbundene Anpassung der Schwei\u00dfvorrichtung wurde nach dem Ersteinsatz eingeordnet. In diesem Komplex wurden die Erfahrungen aus dem Feldeinsatz mitber\u00fccksichtigt. Konstruktiv wurde der Sondenfu\u00df und auch der -kopf im Durchmesser verst\u00e4rkt, um Druckbelastungen bei h\u00f6heren Temperaturen, die w\u00e4hrend der Regeneration entstehen k\u00f6nnen, stand zu halten. Diese Verst\u00e4rkung wurde nach Auswertung der Zeitstandsinnendruckmessung f\u00fcr die Zertifizierung der Sonde erforderlich. Die Schwei\u00dfverbindungen und alle Komponenten der Erdw\u00e4rmesonden werden bei der Pr\u00fcfung 1000h einer Temperatur von 80\u00b0C und einem Druck von 10 bar ausgesetzt. Bei den Testmustern dienten als Schwei\u00dfpr\u00fcfungen an allen 11 Schwei\u00dfstellen visuelle Bemusterungen an den l\u00e4ngs aufgeschnitten F\u00fcgestellen und Druckpr\u00fcfungen der Qualit\u00e4tskontrolle. Die Qualit\u00e4t der Schwei\u00dfung ist durch den automatisierten Prozess und die Fertigungsgenauigkeit reproduzierbar herstellbar. <\/p>\n
In Auswertung des Sondeneinbaus wurden Erfahrungen zur Kompensation des Auftriebs mit einem Schwerst\u00fcck gesammelt, die f\u00fcr nachfolgende Einbauten wichtige Hinweise gegeben haben. Durch Beobachtung und weitere Erprobung des Einbauverhaltens ist die Last des Schwerst\u00fcckes zu optimieren. Ebenso wurde das Sondenb\u00fcndel aus den 10 Au\u00dfenrohren, dem Zentralrohr und dem Verf\u00fcllrohr manuell so verdrillt, dass es keine Schlaufenbildung gibt. Solche Schlaufen f\u00fchren zu Klemmstellen im Bohrloch und behindern den Einbau. Es ist vorgesehen diese erfolgreiche Verdrillung im Fertigungsprozess als Verfahrensschritt zu integrieren.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die \u00fcberzeugenden Ergebnisse der numerischen Simulation f\u00fcr einen verbesserten W\u00e4rmeentzug aus dem Erdreich wurden in der vorliegenden Auswertung der Erstanwendung \u00fcber eine komplette Heizperiode von 324 Tagen messtechnisch erfasst und ausgewertet. Die theoretischen Erwartungen wurden durch die Messungen best\u00e4tigt. Insbesondere die W\u00e4rmemengenmessung an den einzelnen Sonden hat sich f\u00fcr Vergleichsmessungen gut bew\u00e4hrt und besitzt eine hohe Aussagekraft. Es wurde unter den verf\u00fcgbaren Platzverh\u00e4ltnissen auf dem Innenhof des Anwesens 3 Sonden in Reihe angeordnet. Dabei kamen eine DU-Sonde 4x32mm, eine funktionsgerechte RRS1 mit Gewebe schlauch 10x16mm + 1x40mm und eine RRS2 ohne Gewebeschlauch 10x16mm + 1x40mm zum Einsatz. Die 3 Sonden haben untereinander einen Abstand von 7 m. Sie wurden \u00fcber einen Schacht f\u00fcr die Messtechnik und einen Verteilerschacht mit der W\u00e4rmepumpe verbunden. <\/p>\n
F\u00fcr den Nachweis wurde eine Messtechnik ausgew\u00e4hlt, die es erm\u00f6glicht von jeder Einzelsonde die W\u00e4rmemenge zu erfassen und auf einen Datenlogger zu sichern. <\/p>\n
Verbesserungsbedarf gibt es bei der hoch aufgel\u00f6sten Messung der W\u00e4rmemengen an den Einzelsonden mit dem Messort f\u00fcr die Temperaturmessung. Der Test wurde aus Kostengr\u00fcnden an einer Kundenanlage immer im Einvernehmen mit dem Bauherrn durchgef\u00fchrt. Vor diesem Hintergrund durften die Temperaturf\u00fchler nur au\u00dfen (ohne \u00d6ffnung des Leitungssystems) an den PE-Vor- und -r\u00fccklaufleitungen angebracht werden. Mit dem W\u00e4rmewiderstand \u00fcber die Rohrwand und dem Einfluss der Umgebungstemperatur ist eine direkte Erfassung der Temperaturen der zirkulierenden Sole nicht m\u00f6glich. Die Ermittlung der W\u00e4rmemenge wurde von diesen Faktoren beeintr\u00e4chtigt. Da aber alle 3 Erdw\u00e4rmesonden unter gleichen Bedingungen gemessen wurden, tritt dieser Einfluss bei den drei Sonden gleicherma\u00dfen auf. Der Vergleich wird deshalb davon nicht beeinflusst und liefert aussagef\u00e4hige Ergebnisse. Die Gesamtw\u00e4rmemenge wird von der Messtechnik der W\u00e4rmepumpe erfasst und kann somit zur Korrektur der Einzelw\u00e4rmemengen an den Sonden mit hinreichender Genauigkeit verwendet werden. Der erzielte Fortschritt auf dem Gebiet der W\u00e4rmegewinnung mit Erdw\u00e4rmesonden und der Nachweis mit aktuellen Messwerten sind ein wichtiger Schritt f\u00fcr deren wirtschaftliche Nutzung. <\/p>\n
Dem Arbeitspaket f\u00fcr die M\u00f6glichkeit einer praktischen Erprobung mussten andere Aufgaben wie umfassende Planung und Schaffung optimaler technischer Voraussetzungen im zeitlichen Ablauf sp\u00e4ter eingeordnet werden. Trotz der knappen Zeit f\u00fcr die Planung der ersten Testanlage musste ein Konzept f\u00fcr den Vergleichstest und eine Messtechnik in aller Eile entwickelt werden. Es wurden neue und aus unserer Sicht wertvolle geothermische Ergebnisse und neue Hinweise f\u00fcr die technische Ausf\u00fchrung gesammelt. <\/p>\n
An dem Standort, der nur 10 km von dem Betrieb der BLZ Geotechnik GmbH entfernt ist, war die notwendige intensive Betreuung mit vertretbarem Aufwand m\u00f6glich. <\/p>\n
Die Musteranlage besteht aus 3 Sonden, die unter gleichen geologischen Bedingungen, mit gleichem Bohrdurchmesser, gleichem Verf\u00fcllbaustoff und gleicher L\u00e4nge eingebaut sind und ein Bestandsgeb\u00e4ude mit W\u00e4rme und K\u00e4lte versorgen. Alle Sonden werden von einer W\u00e4rmepumpe mit gleicher Rate und gleicher Vorlauftemperatur versorgt. Auf dieser Basis sind vergleichbare Leistungserfassungen der verschiedenen Sonden in idealer Weise gegeben. <\/p>\n
Wesentlich f\u00fcr den energetischen und wirtschaftlichen Vorteil sind die gewonnenen Kenntnisse f\u00fcr die nachgewiesene geothermische Leistungssteigerung der neuen Erdw\u00e4rmesonde gegen\u00fcber der verbreiteten Doppel-U-Rohrsonden (U2-Sonde). <\/p>\n
Die eingesetzten Mittel sind sinnvoll eingesetzt und werden mit Unterst\u00fctzung der DBU wesentlich zu einer umweltschonenden und wirtschaftlichen W\u00e4rmeversorgung beitragen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
In Simulationsberechnungen wurden die energetischen Vorteile f\u00fcr den W\u00e4rmeentzug mit Erdw\u00e4rmesonden, die aus mehreren kleinen Au\u00dfenrohren und einem gro\u00dfen zentralen Innenrohr aufgebaut sind, dargestellt. Das Simulationsprogramm ist in <\/p>\n
\u2022\tH\u00e4fner, F.; Wagner, R. und Meusel, L. “Bau und Berechnung von Erdw\u00e4rmeanlagen” Springer-Verlag 2015 beschrieben.<\/p>\n
Die theoretischen Voraussetzungen, Simulationsergebnisse und Ergebnisse der praktischen Anwendung sind in den nachfolgenden Ver\u00f6ffentlichungen
\n\u2022\tWagner, R.; H\u00e4fner, F.; Heinemann, D. bbr 12-2013 Ringrohrerdw\u00e4rmesonde – ein System mit optimiertem W\u00e4rmeentzug und einer sicheren Verf\u00fclltechnologie
\n\u2022 \tWagner, R. M., H\u00e4fner, F. Meusel, S. Paulo, S. bbr 03-2024 Technologische Reserven von Erdw\u00e4rmesonden und ihr Beitrag zur W\u00e4rmewende – Teil1,
\n\u2022\tF., Wagner, R. M., Meusel, S. Paulo, S. bbr 04-2024 Technologische Reserven von Erdw\u00e4rmesonden und ihr Beitrag zur W\u00e4rmewende – Teil2
\n\u2022\tH\u00e4fner, F., Wagner, R. M., Meusel, S. Paulo, S. bbr 02-2025 Planung, effiziente Auslegung und nachhaltiger Betrieb von Erdw\u00e4rmeanlagen unter dem Einfluss der Klimaerw\u00e4rmung
\ndargestellt und erl\u00e4utern das gro\u00dfe Potential der RRS f\u00fcr den Energiegewinn. <\/p>\n
Das Schlauch-Rohr-System wurde 2017 von Wagner, R. als Patent angemeldet – Az.: 10 2017 008 566.8<\/p>\n
Auf folgenden Fachtagungen wurde die Sonde in Theorie, Konstruktion und Technologie vorgestellt:
\n\u2022\tDeutscher Geothermischer Kongress Essen 2013 Vortrag Wagner, R. u.a. “Ringrohrsonde”;
\n\u2022\tGeotherm Offenburg 2017 Vortrag H\u00e4fner, F. Vergleich der Leistungsf\u00e4higkeit von Erdw\u00e4rmesonden ver schiedener Bauart
\n\u2022\tGeotherm Offenburg 2017 Vortrag Wagner, R. Verf\u00fcllung von Erdw\u00e4rmesonden
\n\u2022\tDeutscher Geothermischer Kongress M\u00fcnchen 2017 Vortrag Wagner, R. u.a. Sondentypen – Funktion und Praxiseinsatz
\n\u2022\tDeutscher Geothermischer Kongress Essen 2018 Vortrag Wagner, R. u.a. Sondentypen f\u00fcr mitteltiefe Erd w\u00e4rmegewinnung
\n\u2022\tCleantech – Magdeburg 2017 Vortrag Wagner Innovationen in der oberfl\u00e4chennahen Geothermie
\n\u2022\tGeotherm Offenburg 2021 Vortrag Wagner, R. Energieeffiziente Konstruktionen von Erdw\u00e4rmesonden -Doppel-U-Rohr- und Ringrohrsonde im energetischen, technischen und wirtschaftlichen Vergleich
\n\u2022\tGeotherm Offenburg 2022 Vortrag Wagner, R. Praxisvergleich einer Standard-Doppel-U-Rohrsonde mit dem Prototyp der Ringrohrsonde
\n\u2022\tGeotherm Offenburg 2023 Vortrag Paulo, S. Die Leistungsf\u00e4higkeit der neuen Ringrohr-Erdw\u00e4rmesonde und des ModX-Softwarepaketes
\n\u2022\tGeotherm Offenburg 2023 Vortrag Wagner, R. Wirtschaftliche und energetische Reserven von Erdw\u00e4rmesonden
\n\u2022\tBohrtechniktage Rostrup 2023 Vortrag Wagner, R. Effizienz einer Ringrohrsonde im Vergleich zur herk\u00f6mmlichen Doppel- U- Sonde
\n\u2022\tGeotherm Offenburg 2024 Vortrag H\u00e4fner, F., Wagner, R. Effizienter Betrieb von Erdw\u00e4rme-Sondenfeldern und ihre aktive Regeneration
\n\u2022\tGeotherm Offenburg 2024 Vortrag Wagner, R. Einfluss der Einbau- und Verf\u00fclltechnologie auf die Systemdurchl\u00e4ssigkeit von Erdw\u00e4rmesonden
\n\u2022\tGeotherm Offenburg 2025 Vortrag Wagner, R. Beurteilung verschiedener Typen von Erdw\u00e4rmesonden
\n\u2022\tDeutscher Brunnenbauertag \u2013 Bad D\u00fcben 2025 Vortrag Wagner; H\u00e4fner Vergleichende_Betrachtung_unterschiedlicher_Erdw\u00e4rmesonden<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
In dem Projekt wurde nachgewiesen, das mit der RRS ein leistungsf\u00e4higer W\u00e4rme\u00fcbertrager zur Verf\u00fcgung steht, der die konventionellen Doppel-U-Rohrsonden im 1:1 – Vergleich mit einer Leistungssteigerung von 30% ersetzen kann. Die neue Sonde kann mit der vorhandenen Standardbohrtechnik eingebaut und mit den markt\u00fcblichen W\u00e4rmepumpen betrieben werden. Durch diesen Leistungsvorteil entstehen beim Bau von Erdw\u00e4rmeanlagen durch die Reduzierung von Bohrmetern oder kompletter Bohrungen Kostensenkungen in der gleichen Gr\u00f6\u00dfenordnung wie die energetische Leistungssteigerung. Insbesondere bei gro\u00dfen Sondenfeldern wirkt sich dieser Vorteil deutlich aus. Ein Nachteil ist die kompliziertere Konstruktion der Sonden, die besondere Herstellungsmethoden und komplex automatisierte Fertigungstechnologie erfordern werden. Die dadurch entstehenden Mehrkosten haben aber nur einen geringen Einfluss auf den wirtschaftlichen Gesamtvorteil. Es ergibt sich f\u00fcr die Fortsetzung der Entwicklung die dringende Aufgabe die Fertigung dieses Sondentypes weiter zu entwickeln und soweit m\u00f6glich zu automatisieren und damit zu beschleunigen um den Bedarf bei gr\u00f6\u00dferen Bauvorhaben mit vertretbaren Lieferzeiten abzusichern. Trotz der erfolgreichen Bearbeitung steht das Produkt am Anfang seiner Lernkurve und es k\u00f6nnen noch gro\u00dfe Fortschritte bei der Herstellung und Anwendung erwartet werden, die dann auch die skeptische Betrachtung der Planer, der Kunden und auch der Genehmigungsbeh\u00f6rden ver\u00e4ndern werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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