Erdwärmeabsorber
Die beste Energiequelle für Ihre Wärmepumpenheizung
Terra Thech-Erdwärmeabsorber sind eine bedeutende Innovation in der Wärmequellentechnik
Terra Thech bietet sämtliche Vorteile für die Zukunft mit nachhaltiger Energie! Terra Thech-Erdwärmeabsorber sind die innovative Antwort aus jahrzehntelanger Erfahrung auf dem Gebiet der Gewinnung erneuerbarer Energie aus oberflächennahem Erdreich. • Kostenlose erneuerbare Energie aus kleinsten Grundflächen. • Denkbar geringer Freiflächenbedarf für die Wärmegewinnung. • Höchstes, effizientes Temperaturniveau in der Energiebereitstellung.
Ein wesentliches Merkmal der neuartigen Terra Thech-Erdwärmeabsorber ist die erstmalige Nutzung grossflächiger, zylindrischer Absorber-Geometrie. Diese Geometrie macht es möglich, die im Erdreich gespeicherte «erneuerbare Energie» besser und effektiver als jede andere zu erfassen und zu gewinnen. Jeder Terra Thech-Erdwärmeabsorber erfasst die Energie aus einer Erdreichmasse von 15 Kubikmetern, aus einer Tiefe mit höchster mittlerer Jahrestemperatur. Die höchstmögliche Wärmequellen-Temperatur wird dank der bei der zylindrischen Geometrie proportional zum Radius abnehmenden Wärmestromdichte erzielt. Terra Thech-Erdwärmeabsorber verfügen über eine «integrierte» sensible Speicherkapazität von 2,0 kWh je Modul. Diese dient «interaktiv» zur Erhöhung
• Umweltfreundlich durch unerreicht geringen Solebedarf. • Vollständig aus langzeitbewährtem Kunststoffmaterial gefertigt. • Senkung der Heizkosten.
der Effizienz und der flächenspezifischen Entzugsleistung. Zusätzlich verfügen die Erdwärmeabsorber über eine «integrierte», latente Speicherkapazität (Eisspeicher) von 8,0 kWh je Modul. Sie dient der Überbrückung möglicher auftretender extremer Wetterbedingungen. Je kW Heizleistung wird weniger als 12 Liter Wärmeträgerfluid (Sole) benötigt – ein Beitrag zum Gewässerschutz! Die Terra Thech-Erdwärmeabsorber bestehen aus serienmässig hergestellten identischen Modulen, welche in Parallelschaltung die benötigte erneuerbare Energie bereitstellen. Sie werden als anschlussfertige Einheiten geliefert und erfordern «den denkbar» geringsten Aufwand an Installations- und Erdarbeiten.
3
Dimensionierung 1/2 “
5
Gesamtkontaktfläche zum Erdreich 31
3.12 m2 75
3000
Rohr 25 x 2.3
TT-Absorber
3/315/36-25/3.12
Werkstoff 100% HDPE
Die nachfolgenden Angaben gelten ohne Warmwasserbereitung für Gebäudeausführungen nach der Wärmeschutzverordnung (40 W/qm): Gebäudefläche qm
125
185
250
375
500
625
750
875
1’000
Leistungsbedarf kW
5
7,5
10
15
20
25
30
35
40
Anzahl Terra Thech-Module*
2
3
4
6
8
10
12
14
16
Entzugsfläche qm
28
42
56
84
112
140
168
196
224
50
50
50
Solebedarf Liter AD-Gefäss Wasser (l)
25 l je Absorber 35
35
35
35
35
50
* 1 Modul = 2 Absorber
• Die Tabellenwerte basieren auf den Bedingungen B0/W35 in Verbindung mit einer WarmwasserFussboden-Flächenheizung. • Bei Passivhäusern mit 15 W/qm halbiert sich der Leistungsbedarf. • Bei Neubauten im Gebäudebestand rechnet man mit 60 W/qm. • Gebäude im Bestand bedürfen einer Wärmebedarfsberechnung. • Die Leistungsangaben gelten für normale Bodenverhältnisse.
• Deutschland ist unterteilt in 15 Klimazonen, was in der Wärmebedarfsberechnung bereits berücksichtig ist, sich jedoch auf die Temperatur im Erdreich auswirken kann, beispielsweise in der Klimazone 6: Bad Marienberg, 8: Braunlage, 9: Chemnitz, 11: Fichtelberg, 13; Passau u.a.
Optionale Warmwasserbereitung Bei zusätzlicher Warmwasserbereitung durch Terra Thech-Erdwärmeabsorber ist der Leistungsbedarf um 20 % zu erhöhen.
Bauliche und technische Schritte Vorbereitung zur Verlegung der Terra ThechErdwärmeabsorber • Der Mutterboden wird im Arbeitsbereich abgeschoben und seitlich bis zur Wiederverwendung gelagert. • Um auf «standfesten Untergrund» zu gelangen, ist es ratsam, eine weitere Schicht von 25 cm abzuschieben. • Danach ist der Installationsgraben quer zur Verlegrichtung der Module bis auf die empfohlene Gesamttiefe von 1,75 m und ca. 1 m Breite auszuheben. • Jetzt werden die rechtwinklig zum Installationsgraben verlaufenden Gräben (0,4 m breit) zur Verlegung der Erdwärmeabsorber ausgehoben. In gleicher Tiefe (6 m lang) in einem Raster von 2 m Abstand. Die Flächenzuordnung richtet sich dabei nach dem jeweiligen Grundflächenzuschnitt (Abbildung 1 und 2).
Leitungsanschlüsse • Die Rohrleitungsverbindungen erfolgen vor Verlegung in die Gräben. • Einbringung der Erdwärmeabsorber und die Wasserfüllung. • Vor der Einbringung in die Erdgräben werden die Absorber mit den Wasserfüll- und Ausdehnungsanschlüssen versehen (seriell verbunden). • Die Wasserfüllung erfolgt erst nach Verlegung der Module in den Gräben. • Die Wasserfüll- und Ausgleichsleitung werden entsprechend der Planung mit einem offenen, im frostsicheren Bereich angeordneten Ausdehnungsgefäss (in der vorgesehenen Rohrdimension 16 × 2 aus HDPE) verbunden. • Nach Fertigstellung der Installation werden die Absorber in die Gräben gelegt. • Eine temporäre Dichtigkeitsprobe der Soleleitungen mit Druckluft von 3 bar wird empfohlen. • Nachfolgend erfolgt die Wasserfüllung (Sole) der Zylinder (max. 0,5 bar). • Danach werden die Module mit «gut wärmeleitendem Erdmaterial» rundum eingeschwemmt.
14000
14400
2000
2000
M3
M4
M5
M7
M8
M1
M2
M3
M4
1000
4800
M6
3800
M2
6200
8000
M1
Anschlüsse nicht dargestellt
Gebäude 10 KW-Anlage für 250 m2
Gebäude 20 KW-Anlage für 500 m2
1 Verlegung
2 Verlegung
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Wasserausdehnungsgefäss Die Ausdehnung von Wasser in dem vorgesehenen Temperaturbereich beträgt etwa 0,8 Liter/Modul, dazu dient ein offenes Ausdehnungsgefäss im frostsicheren Bereich.
Kostengünstiges Streusalz – eine weitere Innovation zur Gefrierpunkt-Absenkung der Absorberfüllung Sollte eine Gefrierpunktminderung erforderlich werden, erfolgt diese beim Terra Thech-Erdwärmeabsorber durch Salz und nicht wie sonst üblich mittels teurem, umweltbelastendem Wärmeträger-Fluid. 16 g Salz/Liter Wasser bewirken eine Gefrierpunktminderung um ca. 1 Grad. 40 g Salz/Liter Wasser ergeben einen Gefrierpunkt von –2,5 °C. 80 g Salz/Liter Wasser ergeben einen Gefrierpunkt von –5,0 °C. Bei einer nachträglich erforderlichen Gefrierpunktabsenkung auf –3 °C sind je Modul mit 3 m Länge ca. 10 kg handelsübliches Streusalz erforderlich. Streusalz wird gehandelt zu Preisen unter 0,25 €/kg. Falls erforderlich, kann die Gefrierpunktminderung auch nachträglich erfolgen. Das Salz wird über das Ausdehnungsgefäss eingegeben und mit einer «Schlauchpumpe» (z.B. von Firma «Gardena» mit Antrieb durch eine Bohrmaschine) über die serielle Ausgleichsleitung auf die Wärmequellenanlage verteilt.
Füllung mit Kälteträgerfluid, Stockpunkt 8 °C
–
Wichtig: • Durchführung der soleseitigen Dichtigkeitsprobe mit Vakuum! • Durchführung der Füllung mit Wärmeträgerfluid (Sole) im «Vakuumprinzip»!
Die Füllung im «Vakuumprinzip» • Nach erfolgreicher Fertigstellung der Installation wird das System mit einer in der Kältetechnik üblichen Vakuumpumpe evakuiert. Dieser Vorgang dient gleichzeitig als sicherheitstechnische Dichtigkeitsprüfung. • Nach erfolgreicher «Evakuierung» wird die Fluidmischung unter Vermeidung von Luftansaugung in das Vakuum eingefüllt.
Die «Vakuumfüllmethode» hat erhebliche Vorteile • Vorausschauende Sicherheitsprüfung auf Undichtigkeiten. • Sicherstellung einer vollständigen und luftfreien Füllung unter Vermeidung von Abgabe an Kälteträgerfluid in die Umwelt. • Grosse Zeitersparnis beim Füllvorgang.
Vor Abschluss der Verlegung und der Fertigstellung der Erdarbeiten • Die gesamte Installation ist nachvollziehbar zu dokumentieren. • Oberhalb der verlegten Erdabsorber sind vor der Überdeckung mit Erdreich «Warnstreifen» als Hinweis bei späteren Grabungen zu verlegen.
Je Absorber beträgt die Füllmenge ca.28 l (11,2 l/kW Heizleistung). Die erforderliche Menge des Frostschutzmittels wird in einem Behälter vorgemischt.
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Informationen zur Ausführung der Wärmepumpenheizung • Wärmepumpen, die «Erdenergie» nutzen, benötigen keine Leistungsregelung – dies im Gegensatz zu Wärmepumpen mit «Aussenluft» als Wärmequelle. • Der Vorteil: Wärmepumpen ohne Leistungsregelung sind kostengünstiger und erzielen eine höhere Effizienz, weil die Umwandlung der elektrischen Antriebsenergie für den Inverter-Betrieb entfällt. • Bei Nutzung von «Erdenergie» erfolgt die Leistungsregelung durch taktenden Betrieb. Der taktende Betrieb hat keine negativen Einflüsse weder auf die Lebenserwartung der Wärmepumpe noch auf deren Effizienz. Dies im Gegensatz zur herkömmlichen Brennstoffheizung, bei welcher die energetischen Verluste infolge taktendem Betrieb steigen. Der Grund ist die systembedingte Brennkammerdurchlüftung, die wegen Verpuffungsgefahr unumgänglich ist. • Zur Erzielung einer hohen Wirtschaftlichkeit bedürfen Wärmepumpen-Heizungen einer Fussboden-Flächenheizung, dimensioniert für die Bedingungen 35 °C / 30 °C.
• Die optimale Wärmepumpenregelung schaltet die Wärmepumpe bei Erreichen der sogenannten Heizgrenze ein und verändert die Temperatur im Heizungskreislauf in Abhängigkeit der Aussentemperatur. Dazu dient üblicherweise ein Aussentemperatur-Sensor (darf nicht durch Sonneneinstrahlung beeinflusst werden) und ein Temperatur-Sensor im Heizungsrücklauf. • Nach DIN 4108 T6 gilt für Deutschland eine Aussentemperatur von +15 °C als Heizgrenze, für Liechtenstein, Österreich und die Schweiz gelten +12 °C. In allen Fällen gilt eine Raumtemperatur von +20 °C als Heizgrenze. • Einzelraumregelungen müssen optimal auf das Heizungssystem abgestimmt werden. Sie sollten keine Erhöhung der Heizungsvorlauftemperatur bewirken, was leider oft der Fall ist. Eine nicht fachgerecht integrierte Einzelraumregelung führt zu hohen Vorlauftemperaturen und vermindert dadurch den Wirkungsgrad und die Leistung der Wärmepumpe. Bereits eine Temperaturerhöhung um 1 Grad bewirkt einen Anstieg im Energiebedarf von etwa 2,2 %.
Interaktive Wärmegewinnung Terra Thech-Erdwärmeabsorber +6 +5 +4 1
+3
3
+2 +1 0° -1 -2
2 0,5 h
1 Rücklauf zur Wärmepumpe
1,0 h
1,5 h
2 Vorlauf zum Absorber
2,0 h
2,5 h
3 Mittlere Wassertemperatur im Modul
Gewinnung der Erdwärme Die Aufgabenstellung bei Terra Thech-Erdwärmeabsorbern ist die Gewinnung erneuerbarer Erdenergie unter Nutzung der thermischen Speicherkapazität einer Erdreichmasse unterhalb einer Erdüberdeckung von etwa 1,70 m. Es handelt sich dabei um die Erdreichformation mit der höchsten natürlichen Temperatur im unbelasteten Zustand während der Heizperiode mit einer Temperatur zwischen etwa +7 °C und +14 °C. Die aus dieser Formation gewonnene Erdwärme wird noch während der Heizperiode, spätestens jedoch im Jahresverlauf, infolge der Energieeinträge durch Sonne und Witterung «erneuert».
Bei der Dimensionierung der Erdwärmeabsorbern ist zu unterscheiden zwischen der Nennleistung der Wärmepumpe (kW) und der während der Heizperiode benötigten Heizenergie oder Heizarbeit (kWh). Diese beiden Werte – die benötigte «Leistung» (Heizleistung) und die benötigte «Heizarbeit» (Heizenergie) – unterscheiden sich erheblich. Sie stehen etwa in einem Verhältnis von 3:1 zueinander, das bedeutet: Die effektiv installierte Heizleistung wird nur während 25 % der Heizperiode beansprucht.
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Die Innovation auf einen Blick • Die Herausforderung der Innovation der Terra ThechErdwärmeabsorber war die Nutzung der «grossflächigen zylindrischen Absorber-Geometrie, die zweifellos jede andere Absorber-Geometrie hinsichtlich der erfassbaren Erdreichmasse und hinsichtlich der dafür aufzuwendenden Temperaturdifferenz übertrifft. • Dieser Zielsetzung stand jedoch ein geometrisch bedingtes Problem gegenüber. Das bedeutet, dass bei einer zylindrischen Geometrie nicht nur die erfassbare Erdreichmasse in quadratischer Funktion steigt, sondern auch das Volumen des Kollektors, wodurch der Bedarf an Wärmeträgerfluid Sole auf ein nicht mehr vertretbar hohes Mass ansteigt.
Dies ist auch der Grund, warum beim heutigen Stand der Technik ausschliesslich Absorber mit plattenförmiger Geometrie Verwendung finden. Diese Diskrepanz konnte innovativ durch die Füllung des Absorbers mit Wasser gelöst werden. • Die Innovation dient der Erdwärmegewinnung unter Nutzung der siginifikanten Vorteile der «grossflächigen zylindrischen Absorber-Geometrie», die jede andere Absorbergeometrie bezüglich Erfassung der Erdreichmasse übertrifft. • Die Herausforderung bei der Entwicklung der Terra Thech-Erdwärmesonde war die Überwindung der geometrischen Diskrepanz, die darin besteht, dass bei einer zylindrischen Ausführung das Volumen
und damit der Bedarf an Wärmeträgerfluid «Sole» in «quadratischem Verhältnis» mit dem Durchmesser ansteigt. Dies ist der Grund, warum beim heutigen Stand der Technologie keine grossflächigen zylindrischen Erdwärmeabsorber eingesetzt werden. Stattdessen werden plattenförmige Absorber in vertikaler Anordnung genutzt, die vergleichsweise nur etwa 40 % der Erdreichsmasse erfassen können. Die Wasserfüllung bei Erdwärmekollektoren bzw. die überragenden physikalischen Eigenschaften von Wasser verleihen der Terra Thech-Innovation nebst einer nahezu verlustfreien Übertragung der Erdwärme
noch viele weitere bisher nicht erzielbare vorteilhafte Eigenschaften: • Nutzung der Wasserfüllung als Speichermasse für eine «interaktive Wärmegewinnung» verbunden mit einer erheblichen Effizienzsteigerung. • Nutzung der Wasserfüllung als Speichermasse für die Verlängerung der Wärmegewinnung während der Taktpausen der Wärmepumpe. • Nutzung des horizontalen «Heatpipe Effektes» für einen thermischen Ausgleich über die Zylinderlänge zur Verbesserung der Wärmegewinnung. • Nutzung der «erheblichen latenten Wärmespeicherfähigkeit» (Latenteis) der Wasserfüllung als Energie-Reserve bei anhaltenden Frostperioden.
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