Unsere Experten werden oft gefragt: „Spielt es eine Rolle, wenn Vor- und Rücklauf einer Erdwärmesonde eng aneinander liegen? Beeinflussen sich die Stränge nicht gegenseitig?“ Daraus ergeben sich dann oft auch Fragen wie: „Hat der Steg der separatus Splitpipe-Erdwärmesonde nicht einen Nachteil?“ In Teil 1 dieses Doppelartikels versuchen wir, die Fragen möglichst einfach und anschaulich zu beantworten.
Was versteht man eigentlich unter „thermischem Kurzschluss“?
Um diese Frage zu beantworten, bleibt uns ein wenig Theoriekurs nicht erspart – wir müssen kurz die allgemeine Funktionsweise einer Wärmepumpe erklären: Auf der einen Seite entzieht sie einer Quelle die Energie, um auf der anderen Seite im Wärmeverteilsystem des Hauses die Temperatur zu erhöhen. Dazu muss auf der Quellenseite (die linke Seite im Bild unten) ständig ein Wärmeträger (Sole, Wasser, Luft) zirkulieren, um die benötigte Wärmeenergie heranzuschaffen. Quellenseitig unterscheidet man zwischen offenen und geschlossenen Systemen. Offene Systeme sind Wärmepumpen, die offen die Umgebungsluft oder das Grundwasser ansaugen und wieder dorthin abgeben. Bei Erdwärmesonden zirkuliert der Wärmeträger hingegen in einem geschlossenen Rohrsystem, das die Umgebungswärme über Wärmeleitung aufnimmt.
Insbesondere bei offenen Systemen entsteht nun folgende Problematik: Ein zu geringer Abstand zwischen Ansaugung und Rückgabe führt zu einem Kurzschluss. Beispielsweise tritt das Phänomen bei Luftwärmepumpen auf, wenn die abgekühlte Luft unmittelbar oder mit nur kleinem Umweg direkt wieder eingesaugt wird. Das Medium hat gar nicht die Möglichkeit, sich von der Umwelt ausreichend erwärmen zu lassen. Die Effizienz so einer Wärmepumpe geht in die Knie.
Tritt so ein Kurzschluss auch bei geschlossenen Systemen auf?
In dem geschlossenen Rohrsystem der Erdwärmesondenanlage kann das Medium nicht in einem Kurzschluss direkt wieder angesaugt werden – es kann nur den gesamten Weg durch die Erdwärmesonde zirkulieren, bis es erwärmt wieder bei der Wärmepumpe ankommt. Es entsteht jedoch immer wieder die Frage, ob nicht dennoch eine Wärmeübertragung mittels Wärmeleitung zwischen der kalten und der warmen Seite im Erdreich stattfinden kann. Auch das käme einem thermischen Kurzschluss gleich. Gibt es diesen Effekt? Was sagt die Wissenschaft?
Für eine theoretische Analyse werden heutzutage so genannte CFD-Simulationen durchgeführt. Eine CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) ist eine numerische Strömungssimulation, anhand eines Computermodells durchgeführt, die die Bewegung der Flüssigkeit in den Erdwärmesonden berechnet und unter Berücksichtigung vieler komplexer Phänomene die Wärmeübertragung darstellt. CFD-Simulationen zeigen, dass es ganz viele Faktoren gibt, wie sich die Wärmeleitung innerhalb einer Erdwärmesondenbohrung darstellt.
Manche dieser Faktoren wirken sich stark aus, manche schwach. Insbesondere spielen die Wärmeleitfähigkeiten des Gesteins und des Hinterfüllmaterials eine Rolle. Zusätzlich sind die Strömungsverhältnisse des Wärmeträgermittels (laminar oder turbulent) und die Wärmeübergänge an den Grenzflächen von Bedeutung. Und man ist sich einig: Auch die Lage der Sondenrohre innerhalb des Bohrlochs macht einen Unterschied, denn Wärme fliesst immer von warm zu kalt – dieses physikalische Gesetz lässt sich nicht völlig aufhalten. Aber wie stark kann sich das auf die Gesamtperformance auswirken?
Thermischer Kurzschluss – von welcher Bedeutung?
Eine der grössten durchgeführten Studien* zeigt, dass unter all diesen Faktoren die Auswahl des Hinterfüllmaterials eine der grössten Auswirkungen hat. Auf nächster Position nennt sie die Qualität der Hinterfüllung – je gewissenhafter gearbeitet wird, desto höher die Effizienz der Erdwärmesonde. Auch zeigt sich, dass der so genannte „thermische Bohrlochwiderstand“ mit grösserem Durchmesser tendenziell steigt, also die Erdwärmesonde in der Wärmeübertragungsleistung abnimmt. Und je grösser der gewählte Bohrlochdurchmesser, desto stärker wirken sich auch wieder Materialwahl und minderwertige Verarbeitung aus.
Interessant ist, dass die Studie auch den Einsatz von Sondenrohr-Abstandhaltern untersucht hat. Abstandhalter wurden ursprünglich mit der Absicht entwickelt, die Sondenrohre voneinander zu trennen, um die thermische Beeinflussung („Kurzschluss“) untereinander möglichst zu reduzieren. Doch zu welchem Schluss kommt die Praxisstudie? Der Einsatz von Abstandhaltern kann paradoxerweise zu einem erhöhten Bohrlochwiderstand, aufgrund eines erhöhten Risikos von Wasser- oder Lufteinschlüssen, führen. Abstandhalter müssen wohl am Schreibtisch erfunden worden sein – man dachte sich, man könne noch das letzte Prozent aus einer Sonde herausholen – aber in der Praxis sind sie kontraproduktiv. Fazit: Die qualitative Ausführung der Erdwärmesondenbohrung und die Auswahl von thermisch hochwertigen Materialien sind wesentlich bedeutender als ein allfällig auftretender minimaler thermischer Kurzschluss.
Dazu ein Vergleich: Stellen Sie sich vor, Sie wollen einen Thermobecher kaufen. Ein guter Thermobecher hält Kaffee oder Tee lange heiß. Im Geschäft stehen 2 Modelle. Der teure Becher wirbt mit einer sehr dicken Isolierung, hat aber keinen Deckel. Der andere ist günstiger, die Isolierung etwas dünner, hat aber einen schliessenden Deckel dabei. Was denken Sie – welcher Becher hält Ihren Kaffee länger heiß? Worauf kommt es also an? Auf den einzeln betrachteten Isolierwert der Becherwand oder auf die gesamte Ausführung?
Genau so ist es bei einer Erdwärmesonde: das Gesamtprodukt zählt. Eine minimale Wärmeleitung zwischen Vor- und Rücklauf ist nicht entscheidend. Ein thermischer Kurzschluss ist zwar auch in einer Erdwärmesonde theoretisch gegeben, aber so gering, dass er kaum messbar ist. Entscheidend ist, dass das Gesamtsystem gut geplant ist: eine schlanke Bohrung, eine gute Einbettung der Sonde, passende Hydraulik. Aufs Ganze gesehen zählt das viel mehr als ein kleiner thermischer Kurzschluss im Erdreich, mathematisch auf der dritten Kommastelle.
Wir von separatus legen grossen Wert auf eine gesamtheitlich betrachtete Planung und Ausführung. Die separatus Partner stehen für Kompetenz und Qualität. Die Planungsempfehlung für das separatus System: ein möglichst kleiner Bohrdurchmesser, thermisch verbesserte Hinterfüllung, turbulente Strömung.
Im nächsten Teil des Doppelartikels zeigen wir, welche Untersuchungen an der separatus Splitpipe-Technologie im Detail gemacht wurden. Wir präsentieren die Ergebnisse von CFD-Simulationen, durchgeführt von der Fachhochschule OST, sowie Analysen von Erdwärmesonden, die im realen Betrieb durchgeführt wurden.
* https://www.geoenergie-konzept.de/thermischer-bohrlochwiderstand