Erdwärmetauscherforschung

Wenn man sich z.B. den Abschlussbericht zum Projekt Validierung des Programms 'Graphische Auslegung von Erdwärme Austauschern GAEA' mit Hilfe von Messdaten im Rahmen des Verbundprojekts 'Luft-/Erdwärmetauscher' der AG Solar NRW Dipl.-Phys. St. Benkert, Prof. Dr.-Ing. F.D. Heidt Fachgebiet Bauphysik & Solarenergie (Leitung: Prof. Dr.-Ing. F.D. Heidt) Universität-Gesamthochschule Siegen D-57068 Siegen http://nesa1.uni-siegen.de/ genau ansieht, erkennt man schnell, dass die zuvor genannten Ratschläge wissenschaftlich begründet sind.

Die Erdreichtemperatur an der Rohrwand hängt zunächst vom Wärmeaustausch zwischen dem tiefen Erdreich, den oberflächennahen Erdschichten und der Umgebungsluft ab. Sobald der EWT in Betrieb ist, beeinflusst der Wärmeaustausch zwischen Luft und Rohr im EWT  ebenso die Erdreichtemperatur an der Rohrwand und in der Nähe des Rohres. Die ungestörte Erdreichtemperatur an der Rohrwand  sei die Temperatur, die das Erdreich ohne EWT an einer beliebigen Stelle annehmen würde. Dies entspricht bei homogenem Erdreich der Temperatur, die das Erdreich in gleicher Tiefe aber weitab vom EWT einnimmt. Beeinflussung des Temperaturprofils des Erdreichs durch den EWT. Obige Abbildung zeigt qualitativ, wie das Temperaturprofil des homogenen und isotropen Erdreichs durch den EWT beeinflusst wird. Das tatsächliche Temperaturprofil im Erdreich ergibt sich aus der Überlagerung mit dem jahreszeitlichen Temperaturverlauf (Abbildung links).

 

Es ergibt sich näherungsweise aus dem jährlichen Verlauf der Umgebungslufttemperatur,wobei wie bei der Umgebungslufttemperatur ein sinusförmiger Jahresverlauf der Temperatur im Erdreich angenommen wird. Ein Parameter x beschreibt die "thermische Tiefe" desRohrs. Der Wärmeübergang zwischen Luft und Erdreich an der Erdoberfläche erfolgt im verwendeten Modell ohne Widerstand. 

Rohrmaterial:

Als Rohrmaterial für Erdwärmetauscher kommen im allgemeinen die aus dem Abwasserbereich bekannten Werkstoffe zur Verwendung: PVC-Rohr, PE-Rohr (einwandiges starres Abwasserrohr oder doppelwandiges flexibles Kabelschutzrohr), PP-Rohr (auch PP-Mg-Silikat-Rohr) und Betonrohr/-kanal. Darüber hinaus können EWT auch aus Ortbeton hergestellt werden.

Obwohl die Rohrmaterialien unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten und Dicken aufweisen, ist der Einfluss auf den Ertrag relativ gering (< 5%). Betonrohre liefern die besten Erträge, PVC-Rohre die schlechtesten.

In der Praxis wird das Rohrmaterial meist nicht nach dem Energieertrag ausgewählt, sondern nach den Punkten Investitionskosten, Dichtheit/Sicherheit und Verlegeaufwand einsparen.

Bei gebäudenaher Verlegung des EWT ist zu beachten, dass das Gebäude den Energieaustausch zwischen Erdreich und Umgebung stört. Je nach

Gebäudetemperatur und Dämmung zwischen Bauwerk und EWT kann das Gebäude auch als unerwünschte Wärmequelle bzw. Wärmesenke wirken.

Für Gebäude mit unbeheizten Kellern bzw. guter Dämmung der Kellerwände bzw. Bodenplatte und Abstand des EWT > 0,5 - 1,0 m vom Gebäude sind die Einflüsse des Bauwerks auf den Ertrag des EWT gering im Vergleich zum Ertrag eines frei verlegten EWT. Der Unterschied beträgt i.d. Regel weniger als 10%.

 

Abstand der EWT-Rohre bei Registeranordnung:

Werden mehrere Einzelrohre in einem bestimmten Abstand parallel geführt, dann spricht man von einem Register. Im Allgemeinen wird die Anordnung als Register aus wirtschaftlichen Gründen gewählt. Mehrere kleinere parallel verlegte Rohre erbringen einen besseren Energieertrag als ein großes Rohr. Des weiteren ist die Verlegung von mehreren kleinen Rohren, je nach Randbedingungen, kostengünstiger als die Verlegung eines großen Rohres. Der Energieertrag des einzelnen Rohres eines Registers nimmt bei Achsabständen <3 m im Vergleich zum ungestörten Einzelrohr ab. Bei Abständen um 0,5 m beträgt der Ertrag nur noch ca. 50% des ungestörten Einzelrohres. Die Ursache hierfür liegt in dem auf die Fläche bezogen begrenzten Energieangebot im Erdreich. Zusätzlich tritt auch der Effekt der Erdreichermüdung bei Registern deutlich stärker auf als bei einem Einzelrohr. Ein Achsabstand von ca. 1,0 m sollte nicht unterschritten werden.

 

Jahreserträge eines einzelnen Rohres des Referenz-EWT bei Registeranordnung

bei verschiedenen Achsabständen, Register bestehend aus 10 Rohren

Quelle: 4. Symposium Versorgungstechnik 

Fachhochschule Offenburg,

Fachbereich Maschinenbau,

Studiengang Versorgungstechnik

Dipl.-Ing.(FH) Markus Betz,

Absolvent Versorgungstechnik im SS 1997,

T.P.I. Trippe und Partner Ingenieurgesellschaft mbH

 

Luftansaug-Erdregister dienen in erster Linie zur Vorkonditionierung der Aussenluft im Sommer. Die Aussenluft wird über ein unterirdisches Kanalsystem der Lüftungsanlage zugeführt. Das Erdreich dient dabei als Speichermasse, die sowohl saisonal wie auch im Tagesverlauf ausgleichend wirkt. Dem Kühleffekt im Sommer steht eine entsprechende Luftvorwärmung im Winter gegenüber. Der Hauptnutzen besteht allerdings im Sommer, da die Luftvorwärmung im Winter die Wirkung des Abluftwärmetauschers reduziert. Von grossem Vorteil ist jedoch die Frostfreiheit des Wärmetauschers, welche eine einfachere Betriebsweise ohne Abtauvorgänge ermöglicht.

 

 

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