Das Konzept „Rationelles-Regeneratives-System“

Für die häufig praktische Anwendung steht die „Flache Geothermie“ im Vordergund. Dabei wird entweder Wärme in die Erde eingespeist (Rückkühlung) als „Freie Kühlung“ für die Bauteilkühlung (u. a. Kühldecke, Kühlboden u. ä.) oder es wird der Erde Wärme für einen Wärmepumpenbetrieb entzogen. Dafür werden ausschließlich geschlossene Systeme (Sonden) verschiedener Bauformen für Tiefen bis 100 m verwendet. Diese handelsüblichen Koaxialsonden arbeiten mit einer Temperaturspreizung von ca. 5 K.

Im vorliegenden Falle handelt es sich um ein kombiniertes System,
d. h. „Freie Kühlung“(13/8 °C-System) für Kühlflächen- und Wärmepumpenbetrieb. 

Bei der Auslegung wäre die Gleichung

Q = λ · S · ΔJ_m(1)

als „stationäre Wärmeströmung“ als Funktion

der Temperaturdifferenz ΔJ_m zwischen Sonde und dem ungestörten Gestein,

der Wärmeleitfähigkeit λ und

einem Formfaktor S der Sonde

ideal.

Leider ist dieser stationäre Ansatz nicht möglich. Der Grund dafür ist, dass das die Sonde umgebende Gestein abgekühlt oder erwärmt wird und sich wegen der hohen Speicherkapazität erst nach einer Stillstandszeit regeneriert. Es handelt sich um „instationäre Wärmeströme“. Zur mathematischen Behandlung werden „partielle Differentialgleichungen“ benötigt.

Zur Überwindung der Wärmeübergangswiderstände zwischen Gestein und Sonde wird eine Temperaturdifferenz von ca. 3K benötigt.

In der Praxis werden pro Meter Sonde ca. 50 W angesetzt (= ca. 5 kW/100 m).

Ein Anwendungsfall

Bei der Planung eines Produktions-Neubaues für hochwertige Messinstrumente (siehe Schema) hat man sich für die Wärme- und Kälte­versorgung für das nachfolgende „Rationelle-Regenerative-System“ in Verbindung mit Geothermie entschieden. Diese Lösung entsprach den ökologischen und ökonomischen Anforderungen.

Die geologische Bodenuntersuchung für eine „Flache Geothermie“ mit Tiefensonden bis 100 m hatte eine mittlere Erdreichtemperatur von 10 °C ergeben, so dass Wasser mit ca. 13 °C für den Wärmepumpenbetrieb bzw. für eine „Freie Bauteilkühlung“ realisierbar war.

Aus dem Schema ist zu ersehen:

dynamisches System: RLT-Anlagen für die Frischluftversorgung und z. T. Übernahme von Kühl- und Heizlasten,

Statisches System: Kombinierte Heiz- und Kühldecken, sowie kombinierte Fußbodenheizung und Fußbodenkühlung,

Prozesskühlung mit Kühlwasser

In der Produktion sind überwiegend Arbeitplätze für hochpräzise Handarbeit mit Kühllasten von bis zu 100 W/m² (bis 1000 Lux Beleuchtung) vorhanden. Für die sensiblen Arbeitsplätze war die „stille Kühlung“ über eine Kühldecke mit Quelllüftung die beste Klimavariante.

Sonstige Daten:

Raumkonditionen 21 °C ± 1 K, Raumfeuchte begrenzt auf max. 50 % r. F.

Heizlast ca. 30 bis 40 W/m²

Für die Heiz- und Kühlflächen wurde ein 2-Leiter-Umschaltsystem (change-over) gewählt.

Die Entzugsleistung aus der Erde beträgt ca. 300 kW mit 60 Tiefsonden 100 m tief à 5 kW/Sonde (ca. 50 W/m Sonde).

Mit der Antriebsleistung der Wärmepumpen werden ca. 400 kW der Heizleistung zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig dient die Wärmepumpe durch hydraulische Umschaltung als Kältemaschine für die Bereitstellung von Kühlwasser (8 °C) für die RLT-Anlagen und für die Maschinenkühlung. Für die Flächenkühlung wird das Geothermiewasser direkt (ohne Kältemaschine) verwendet.

Die Kälte- und Wärmespeicherung wurde so dimensioniert, dass ein kontinuierlicher Berieb gewährleistet ist.

Weitere technische Einzelheiten sind dem hydraulischen Wärme- und Kälteschema zu entnehmen.

Fazit

Das Konzept „Rationelles-Regeneratives-System“ mit „monovalenter Energieversorgung“ ist im Vergleich zu „konventionellen Systemen“ durch die Nutzung von Umweltenergie ökologisch und ökonomisch überlegen. Da es sich im Gestein um „instationäre“ Wärmeströmun­gen handelt, ist die Betriebsweise der „Aufheiz- und Abkühleffekte“ für das Sondenfeld hinsichtlich einer möglichen „Gesteinsregenerierung“ ideal.

[1] Gernot Weber, „Geothermie – Eine regenerative Wärmequelle zum Heizen oder Kühlen“, TAB 4/2007, Seite 68 und 69