Solesonden

Solesonden, auch Flüssigkeitszirkulationssonden genannt, sind geschlossene Systeme, die grundsätzlich vertikal installiert werden. Sie sind der am häufigsten verwendete, sowie einfach zu realisierende Sondentyp [1,2]. Die Rohre bestehen oftmals aus High-Density-Polyethylen (HDPE, z. B. PU 80 oder PU 100 [2,3]). In diesen zirkuliert ein Kältemittel, in der Regel ein Wasser/Glykol-Gemisch [4]. Der Glykolanteil verhindert in der kalten Jahreszeit das Einfrieren des Kältemittels, was zur Fehlfunktion der Anlage führen würde und Materialschäden verursachen kann. Vor- und Rücklauf der Sonden sind in einem gemeinsamen Bohrloch untergebracht, welches mit einem möglichst gut wärmeleitenden Material verfüllt ist (z. B. mit Thermozement, welcher eine Leistungssteigerung um bis zu 25 % gegenüber herkömmlichen Zement-Betonit-Gemischen ermöglicht [5]). Typische Tiefen liegen zwischen 50 und 200 m, die meisten Bohrungen reichen bis ca. 100 m Tiefe [2,5,6]. Im Gegensatz zu horizontal verlegten Kollektoren können dadurch von jahreszeitlichen Temperaturschwankungen nahezu unabhängige, konstante Wärmeentzugsleistungen erreicht werden [2].

Mithilfe einer Umwälzpumpe wird das Kältemittel innerhalb der Rohrleitung umgewälzt. Die Solesonde fungiert dabei als Wärmeübertrager zwischen Erdreich und Wärmeträgerfluid. Während der Zirkulation des Kältemittels nimmt dieses im Heizfall Wärme aus dem umgebenden Erdreich auf und transportiert sie in Richtung Sondenkopf an der Erdoberfläche. Hier wird die Flüssigkeit gegebenenfalls mit den Strängen aus weiteren Sonden in Verteilern gesammelt und anschließend zu einer für die Heizanwendung benötigten Wärmepumpe geleitet [1].

Ein wesentlicher Vorteil von Solesonden besteht darin, im Sommer zur Gebäudeklimatisierung eingesetzt werden zu können [5]. Über die Sonden kann die aus Räumen- oder Prozessen abgeführte Wärme in das Erdreich eingebracht werden. Dadurch kann die Regeneration des über den Winter "ausgekühlten" Erdkörpers unterstützt werden. Bei starkem Wärmeeintrag und geringem Wärmeabtransport durch Grundwässer, sowie einer hohen Dichte und hohen Wärmekapazität des Untergrunds kann das Erdreich damit gleichzeitig als Wärmespeicher genutzt werden [1,7].

Abb.: Typische Bauformen und Querschnittsabmessungen von Solesonden (nach [8], Abmessungen in mm)

Wichtige Bauformen von vertikalen/ geneigten Solesonden:

  • U-Sonde: Im Bohrloch verlaufen zwei Rohre parallel, die am unteren Ende miteinander verbunden sind. Dieser Sondentyp besteht somit aus einem Vor- und einem Rücklauf pro Bohrung.
  • Doppel-U-Sonde: Analog der U-Sonde, jedoch sind pro Bohrloch jeweils zwei Vor- und zwei Rücklaufrohre installiert. Dies ist die übliche Bauart [2]. Bei dem Einsatz von U-/Doppel-U-Sonden kann eine Leistungssteigerung durch eine erhöhte Spreizung der U-Rohr-Schenkel erreicht werden [5].
  • Koaxialsonde: Vor- und Rücklauf befinden sich innerhalb eines Rohres. Dabei findet der Wärmefluss von Erdreich zur Sonde nur am Koaxialrohr statt, was je nach Betriebsart entweder der aufwärts oder abwärts gerichteten Fließrichtung entspricht. Diese Bauart ist insgesamt kompakter als eine U-Rohr-Sonde, durch den direkten Kontakt von Innenrohr und Mantelrohr besteht jedoch die Gefahr von Verlusten durch Wärmeübertragung zwischen Vor- und Rücklauf ("Kurzschlusswärmestrom"). Insgesamt ist die Leistungsfähigkeit von Koaxialsonden höher als die von U-Sonden [5].

Eine Weiterentwicklung der Koaxialsonde ist die Mehrrohrsonde [5]. Hierbei wird das äußere Rohr, welches aus Stabilitätsgründen oftmals aus Stahl ausgeführt ist, durch mehrere kleinere Rohre ersetzt. Der geringere Durchmesser der Rohre ermöglicht dünnwandigere Ausführungen bei ausreichender Stabilität und geringerem Wärmeleitwiderstand. Damit wird der Einsatz von PE oder PA anstelle von Stahl ermöglicht. Außerdem wird die kalte Seite besser von der warmen Seite isoliert, wodurch der Kurzschlusswärmestrom reduziert wird. Die Leistung von Mehrrohrsonden ist mit denen von normalen Koaxialsonden vergleichbar [5].Beide Bauformen – Koaxialsonden und Mehrrohrsonden – können sowohl als Solesonden als auch als Phasenwechselsonden betrieben werden[5]. Bei Mehrrohrsonden wird dabei das Prinzip des Zwangsumlaufs angewendet. Das flüssige Arbeitsmedium (beispielsweise Propan) wird hierbei durch die Außenrohre nach unten gepumpt, wobei es Wärme aufnimmt, verdampft danach im innenliegenden größeren Rohr und steigt durch dieses als Dampf nach oben.

Literatur

[1] Grab T., Storch T., Wagner S., Groß U. (2010) Wechselwirkungen zwischen Heiz- und Kühlkreislauf bei einem geothermischen Phasenwechsel-Sondenfeld. Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (DKV) e.V.
[2] Tholen M., Walker-Hertkorn S. (2008) Arbeitshilfen Geothermie. wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn
[3] Kaltschmitt M., Streicher W., Wiese A. (2006) Erneuerbare Energien (Vierte, aktualisierte, korrigierte und ergänzte Auflage). Springer Verlag, Berlin Heidelberg
[4] Mertens S., Weidner C., Weickert T. (2010) Evaluierung der Geothermieanlage "Reiche Zeche". Projektarbeit, Technische Universität Bergakademie Freiberg
[5] Häfner F. (06/2012): Optimale Ausbauvarianten für Erdwärmesonden (Vortrag). Sächsischer Geothermietag (Tagungsband erhältlich), Freiberg
[6] Stober I., Bucher K. (2012) Geothermie. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg
[7] Theiß E. (2008) Regenerative Energietechnologien. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart
[8] Kaltschmitt M., Huenges E. und Wolff H. (1996) Energie aus Erdwärme, 1. Auflage. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Stuttgart