Mehrfamilienhaus in anspruchsvoller Geologie

Projektvergleich zwischen DU-32 und separatus

Bei der Planung eines Erdwärmesystems entscheidet nicht allein die thermische Leistung. Die maximale Bohrtiefe, die geologischen Verhältnisse, der Bohrdurchmesser, die Hydraulik und das Ausführungsrisiko sind zu berücksichtigen.

Für ein Mehrfamilienhaus mit Heiz, Warmwasser und Kühlbedarf wurde ein Variantenvergleich über einen Zeitraum von 50 Jahren durchgeführt. Im Vergleich standen ein konventionelles Erdsondenfeld mit Doppel U 32 Sonden und ein Feld mit separatus Erdwärmesonden.

Das Ergebnis zeigt, dass mehr Bohrungen nicht automatisch mehr Aufwand bedeuten. Mit separatus kann die maximale Bohrtiefe reduziert, die gesamte Bohrlänge verkürzt und der Bohrlochdurchmesser deutlich verringert werden.

Hoher Energiebedarf und kombinierte Nutzung

Das Gebäude weist einen jährlichen Heizbedarf von 80 MWh und einen Warmwasserbedarf von 85 MWh auf. Zusätzlich werden jährlich 28 MWh Kühlenergie benötigt.

Die maximale Heizleistung beträgt 60 kW. Für die Kühlung wurde eine Spitzenleistung von 35 kW berücksichtigt. Die Anlage muss somit nicht nur im Winter zuverlässig Wärme bereitstellen. Sie muss während dem Sommer kühlen.

Diese kombinierte Nutzung stellt erhöhte Anforderungen an die thermische und hydraulische Auslegung des Erdsondenfeldes.

Anspruchsvolle geologische Rahmenbedingungen

Die geologischen Bedingungen am Standort erhöhen das Risiko mit zunehmender Bohrtiefe. Ab einer Tiefe von 100 Metern wird Spülbohrung vorgeschrieben.

Gleichzeitig besteht aufgrund der feinkörniger Lockergesteine das Risiko von Instabilitäten. Tiefere Bohrungen können zusätzliche technische Abklärungen, höhere Anforderungen an die Bohrtechnik und grössere Unsicherheiten bei Kosten und Termin verursachen.

Aus Sicht der Risikominimierung war es sinnvoll, eine Variante mit geringerer maximaler Bohrtiefe zu prüfen.

Nachbarsonden in der Simulation berücksichtigt

Erdsondenfelder wirken nicht isoliert. Bestehende und zukünftige Anlagen in der Umgebung können die Bodentemperatur langfristig beeinflussen.

In der Simulation wurden bestehende Nachbarsonden und mögliche zukünftige Anlagen berücksichtigt. Die Ausgangstemperatur des Untergrunds wurde entsprechend reduziert.

Zusätzlich wurde der kombinierte Heiz und Kühlbetrieb einbezogen. Die im Sommer eingebrachte Wärme trägt zur Regeneration des Untergrunds bei. Das am Standort vorhandene fliessende Grundwasser unterstützt die natürliche thermische Regeneration. 

Die Simulation bildet damit nicht nur den aktuellen Zustand ab, sondern berücksichtigt die langfristige Entwicklung des Systems über 50 Jahre.

Szenario mit Doppel U 32 Sonden

Die konventionelle Variante besteht aus 13 Doppel U 32 Sonden mit einer Tiefe von jeweils 150 Metern.

Daraus ergibt sich eine gesamte Bohrlänge von 1'950 Metern. Der Bohrlochdurchmesser beträgt 132 Millimeter.

Bei einem Gesamtvolumenstrom von 12.2 m³/h und einem Wärmeträgermedium mit 20 Prozent Monoethylenglykol stellt sich während des Heizbetriebs eine laminare Strömung ein.

Die Reynolds Zahl liegt während der Wärmeentnahme bei 1'851. Der effektive thermische Bohrlochwiderstand beträgt 0.18 mK/W.

Die minimale durchschnittliche Fluidtemperatur nach 50 Jahren liegt bei minus 1.3 °C. Während des Kühlbetriebs wird eine maximale durchschnittliche Fluidtemperatur von 15.1 °C erreicht.

Die Variante erfüllt damit die thermischen Anforderungen. Die laminare Strömung begrenzt jedoch den Wärmeübergang zwischen der Sole und der Rohrwand.

Szenario mit separatus Erdwärmesonden

Die zweite Variante besteht aus 15 separatus Erdwärmesonden mit einer Tiefe von jeweils 120 Metern.

Die gesamte Bohrlänge beträgt 1'800 Meter. Trotz zwei zusätzlicher Bohrungen reduziert sich die Gesamtbohrlänge damit um 150 Meter.

Gleichzeitig sinkt die maximale Bohrtiefe pro Sonde um 30 Meter. Der Bohrlochdurchmesser kann von 132 auf 100 Millimeter reduziert werden.

Während des Heizbetriebs liegt die Reynolds Zahl bei 2'384 und während der Kühlung wird mit einer Reynolds Zahl von 4'076. In beiden Fällen wird eine turbulente Strömung erreicht.

Der effektive thermische Bohrlochwiderstand liegt bei 0.12 mK/W während der Wärmeentnahme und bei 0.11 mK/W während der Wärmeeinbringung.

Die minimale durchschnittliche Fluidtemperatur nach 50 Jahren beträgt -1.47 °C. Die maximale Fluidtemperatur während des Kühlbetriebs liegt bei 14.6 °C.

Beide Varianten erfüllen damit die Anforderungen an die langfristigen Fluidtemperaturen.

Weniger Gesamtbohrlänge trotz zusätzlicher Bohrungen

Auf den ersten Blick kann eine höhere Anzahl an Bohrungen als Nachteil erscheinen. Entscheidend ist jedoch nicht allein die Anzahl, sondern die gesamte Bohrleistung und der Aufwand pro Bohrung.

Im Vergleich ergeben sich folgende Unterschiede:

• Doppel U 32 mit 13 Bohrungen à 150 Meter
• separatus mit 15 Bohrungen à 120 Meter
• 1'950 Meter Gesamtbohrlänge bei Doppel U 32
• 1'800 Meter Gesamtbohrlänge bei separatus
• 132 Millimeter Bohrlochdurchmesser bei Doppel U 32
• 100 Millimeter Bohrlochdurchmesser bei separatus

Die separatus Variante benötigt somit 150 Meter weniger Gesamtbohrlänge und reduziert den Bohrlochdurchmesser um 42 Millimeter.

Der kleinere Durchmesser senkt den Materialaushub, den Bedarf an Hinterfüllmaterial den Energieverbrauch beim Bohren und erhöht die Bohrgeschwindigkeit. Gleichzeitig können kleinere Bohrgeräte eingesetzt werden.

Geringere Bohrtiefe reduziert das Ausführungsrisiko

In anspruchsvoller Geologie ist die maximale Bohrtiefe ein wichtiger Risikofaktor. Je tiefer eine Bohrung ausgeführt wird, desto länger ist das Bohrloch offen und desto grösser wird das Risiko von Instabilitäten, Materialeintrag oder Problemen beim Einbau der Sonde.

Die Reduktion der Sondentiefe von 150 auf 120 Meter begrenzt die Arbeiten im besonders anspruchsvollen Tiefenbereich. Das reduziert die technische Unsicherheit und kann Kosten und Terminrisiken senken.

Dieser Vorteil lässt sich nicht allein über die Bohrmeter bewerten. Gerade bei schwierigen Bodenverhältnissen kann eine kürzere und kontrollierbare Bohrung entscheidend für den Projekterfolg sein.

Hydraulik als zentraler Planungsfaktor

Die thermische Leistung einer Erdsonde hängt nicht nur vom Untergrund und von der Sondenlänge ab. Auch der Strömungszustand des Wärmeträgermediums beeinflusst den Wärmeübergang.

Bei laminarer Strömung bewegt sich das Fluid weitgehend in geordneten Schichten. Der Wärmeübergang zwischen der Flüssigkeit und der Rohrwand ist geringer.

Bei turbulenter Strömung wird das Fluid stärker durchmischt. Dadurch verbessert sich der Wärmeübergang und der thermische Bohrlochwiderstand sinkt.

Das Projektbeispiel zeigt diesen Unterschied deutlich. Die Doppel U 32 Variante bleibt während der Wärmeentnahme laminar. separatus erreicht günstigere Strömungsverhältnisse und während der Kühlung eine vollständig turbulente Strömung.

Eine hydraulische Auslegung ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil jeder belastbaren Dimensionierung.

Kürzere Sonden können beim Kühlen effizienter sein

Bei der Planung von Anlagen mit Kühlbetrieb bieten kürzere Erdwärmesonden einen weiteren Vorteil.

Die Bodentemperatur steigt mit zunehmender Tiefe aufgrund des geothermischen Temperaturgradienten an. Kürzere Sonden befinden sich im Durchschnitt in kühleren Bodenschichten als tiefere Sonden.

Für die Kühlung ist dies vorteilhaft. Je tiefer die Temperatur des Untergrunds, desto grösser ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Gebäude und der Wärmequelle. Dadurch kann Wärme effizienter an den Untergrund abgegeben werden.

Im Projektvergleich zeigt sich dies an den maximalen Fluidtemperaturen im Kühlbetrieb:

• Doppel U 32 mit maximal 15.1 °C
• separatus mit maximal 14.6 °C

Die kürzere separatus Variante weist damit eine tiefere maximale Fluidtemperatur auf. Das verbessert die Bedingungen für die Kühlung und kann die Effizienz des Systems erhöhen.

Dieser Vorteil ist besonders relevant bei Gebäuden mit hohem Kühlbedarf oder bei Anlagen, die passive Kühlung nutzen.

Kühlung unterstützt die Regeneration des Untergrunds

Die Kühlung verbessert nicht nur den sommerlichen Komfort. Sie wirkt sich auch positiv auf die langfristige Energiebilanz des Erdsondenfeldes aus. Während der Heizperiode wird dem Untergrund Wärme entzogen. Im Kühlbetrieb wird ein Teil dieser Energie wieder zurückgeführt.

Diese Regeneration stabilisiert die Bodentemperaturen und kann die langfristige Leistungsfähigkeit des Systems verbessern. Kurze und regenerative Erdsondenfelder sind deshalb besonders interessant für Gebäude mit einem ausgewogenen Heiz und Kühlbedarf.

Technischer und wirtschaftlicher Vergleich

Beide Varianten erfüllen die thermischen Anforderungen über 50 Jahre.

Das separatus System bietet im direkten Vergleich jedoch mehrere Vorteile:

• 150 Meter weniger Gesamtbohrlänge
• 30 Meter geringere maximale Bohrtiefe
• 42 Millimeter kleinerer Bohrlochdurchmesser
• turbulente Strömungsverhältnisse
• tieferer thermischer Bohrlochwiderstand
• geringeres Ausführungsrisiko
• bessere Bedingungen für den Kühlbetrieb
• geringerer Bedarf an Bohr und Hinterfüllmaterial

Diese Faktoren wirken sich nicht nur auf die technische Qualität aus. Sie beeinflussen voarllem die Investitionskosten, den Bauablauf und die langfristige Betriebseffizienz.

Die beste Lösung entsteht durch Variantenvergleich

Das Projekt zeigt, dass die beste Auslegung nicht zwingend die Variante mit den wenigsten Bohrungen ist. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Gesamtbohrlänge, Sondentiefe, Bohrlochdurchmesser, Hydraulik, Geologie, Kühlbetrieb und Ausführungsrisiko.

Eine belastbare Simulation macht diese Zusammenhänge sichtbar und ermöglicht eine sachliche Entscheidungsgrundlage.

Im vorliegenden Vergleich erweist sich separatus als zweckmässigere Lösung. Die Variante reduziert die Gesamtbohrlänge und die maximale Tiefe, verbessert die hydraulischen Bedingungen und senkt das Risiko bei der Ausführung.

Unterstützung bei Dimensionierung und Simulation

Wir unterstützen Planungsbüros, Bohrunternehmen, Installateure und Bauherrschaften bei der Entwicklung wirtschaftlicher Erdwärmesysteme.

Unsere Leistungen umfassen:

• thermische Langzeitsimulation gemäss SIA 384/6 & VDI 4640/2
• hydraulische Auslegung
• Berekening van het drukverlies
• Vergleich unterschiedlicher Sondensysteme
• Berücksichtigung bestehender und zukünftiger Nachbarsonden
• Optimierung von Bohrtiefe und Bohrlochdurchmesser
• Bewertung des Heiz und Kühlbetriebs
• Unterstützung bei komplexen geologischen Randbedingungen

Ob separatus oder Standardsonde, entscheidend ist die beste Lösung für das jeweilige Projekt.

Planen Sie ein Erdsondenfeld mit schwieriger Geologie, begrenzter Bohrtiefe oder kombiniertem Heiz und Kühlbedarf?

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