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Hydraulik optimieren
Die Wahl einer optimalen Temperaturdifferenz hat einen grossen Einfluss auf den Strombedarf für die Umwälzpumpe. Ideal ist in den meisten Fällen eine Temperaturdifferenz von 4 °C. Wenn die gewonnene Wärmemenge mit einer grösseren Temperaturdifferenz in demselben Rohr befördert wird, reduziert sich die Geschwindigkeit. Sinkt die Geschwindigkeit, sinkt auch der Druckverlust, den die Umwälzpumpe zu überwinden hat. Der Zusammenhang ist nicht linear, sondern quadratisch. Wird die Geschwindigkeit halbiert, reduziert sich der Druckverlust im Rohr auf 25 Prozent. Die Pumpenleistung geht sogar in der dritten Potenz zurück, da auch weniger Fluid umgewälzt werden muss. Wird eine EWS also mit 4 °C statt mit 2 °C Temperaturdiifferenz gefahren, reduziert sich die erforderliche Pumpenleistung um dem Faktor 8. Und eine kleinere Pumpenleistung bedeutet, dass die Pumpe kleiner dimensioniert werden kann und viel weniger Strom verbraucht. Oder umgekehrt: eine Verdoppelung der Geschwindigkeit kann nur über eine Verachtfachung der Pumpenleistung erreicht werden.
Die Wahl der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf in der Erdwärmesonde hat somit einen wichtigen Einfluss auf Stromverbrauch der Umwälzpumpe. Je grösser die Temperaturdifferenz gewählt wird, desto kleiner ist dieser Stromverbrauch.
Der Vorteil bei hohen Fliessgeschwindigkeiten ist, dass sich sicher eine turbulente Strömung einstellt. Damit verbessert sich der Wärmeübergang von Rohrwand zum Fluid, was zu etwas höheren Temperaturen im Fluid führt. Das wiederum verringert den Strombedarf des Kompressors der Wärmepumpe ganz leicht. Jedoch ist auch bei einer Temperaturdifferenz von 4 °C noch eine turbulente Strömung vorhanden. Die Umwälzpumpe kann aber wesentlich kleiner sein als bei 3 °C
Die Umwälzpumpe darf dabei ohne Probleme auch etwas zu klein sein: eine Umwälzpumpe, die auf ein auf Delta T von 4 °C ausgelegt ist, führt zu einem Delta T von ca. 5 °C, falls eine nur halb so starke Pumpe eingebaut wird wie theoretisch erforderlich. Die Anlage wird auch so noch problemlos funktionieren.
Nur im Fall von reinem Wasser in der EWS ist es besser und sicherer, die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf auf 3 °C auszulegen. Die Frostgefahr resp. die erforderliche Mehrlänge der EWS wird so etwas reduziert.
Ebenfalls auf 3 °C Temperaturdifferenz auslegen kann man, falls eine kurze EWS mit einer eher grossen Dimension gewählt wird. Umgekehrt kann bei tiefen EWS (tiefer als 250 m) mit DN 40 auch eine etwas grössere Temperaturdifferenz gewählt werden (z.B. 5 °C), um nicht eine zu grosse Umwälzpumpe einsetzen zu müssen.
Die Wahl einer EWS mit DN 50 hat den kleinen Nachteil, dass infolge der dickeren Rohrwand der Wärmefluss zum Erdreich leicht behindert wird. Zudem ist das Material teurer und weniger biegsam. Deswegen ist es vorteilhaft, ein Rohr DN 40 bei EWS bis zu 350 m Tiefe zu verwenden, und eine etwas grössere Temperaturdifferenz zuzulassen.
SIA 384/6 Erdwärmesonden
Auszüge aus der Norm Quelle:SIA 384/6, 2010
3.3 Auslegung und Hydraulikberechnung des Erdwärmesondenkreislaufs
3.3.1 Allgemein
Im Erdwärmesondenkreislauf zirkuliert ein Wärmeträger. Diese Flüssigkeit übernimmt den Energietransfer zwischen der Erdwärmesonde und dem Energienutzer. Der Wärmeträger hat einen Einfluss auf den Wärmeübergang zum Erdwärmesondenrohr und damit auf die Wärmeträgertemperatur bzw. die Leistung einer Erdwärmesonde.
3.3.2 Aufbau des Erdwärmesondenkreislaufs
<ip-pii> Um die Funktion der Erdwärmesonden-Anlage langfristig gewährleisten zu können, muss der Erdwärmesondenkreislauf aus Sicherheitsgründen und zur Erleichterung von Servicearbeiten Absperrorgane, eine separate Füll- und Spüleinrichtung, Entlüftungen, ein Überdruckventil, einen Druckwächter, ein Expansionsgefäss und eine Umwälzpumpe aufweisen.
Anschluss der Erdwärmesonde
<ip-pii> Die Erdwärmesondenrohre werden sternförmig an einen Verteiler angeschlossen. Bei den üblicherweise eingesetzten Doppel-U-Rohr-Erdwärmesonden können die beiden Kreise auch mit Y-Formstücken zu je einem Vor- und Rücklauf in einer entsprechend grösseren Rohrdimension zusammengefasst werden.
Berechnung des Erdwärmesondenkreislaufs
<ip-pii> Die Anzahl und die Tiefe der Erdwärmesonden beeinflussen das hydraulische Verhalten des Wärmeträgers im Erdwärmesondenkreis. Die Auslegung des Erdwärmesondenkreises hat einen grossen Einfluss auf die Energieeffizienz und die Investitionskosten.