Voraussetzungen für Erdwärmesondenbohrungen

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Voraussetzungen für Erdwärmesondenbohrungen

1. Zertifizierte Bohrfirma nach DVGW W120

2. VDI Richtlinien - VDI 4640

 

Bohrarbeiten und Brunnenbau

Vorbereitende Arbeiten

Nach Auftragserteilung soll das Bohrunternehmen alle notwendigen Unterlagen   vom Auftraggeber (Planer, Installateure, Bauherren, etc.) zur Planung der durchzuführenden   Bohr- und Brunnenbauarbeiten anfordern. Das beauftragte Bohr- und Brunnenbauunternehmen   muss als Fachfirma nach DVGW W 120 zugelassen sein. Die Planung erfolgt in Zusammenarbeit   mit dem Auftraggeber/Projektanten. Es sind mindestens folgende Punkte abzustimmen:

 
• Anzahl der EWS-Bohrungen
   
• Art des Bohrverfahrens
 
• Tiefe der EWS-Bohrungen
 
• Durchmesser der EWS-Bohrungen
 
• Lage der EWS-Bohrungen

Genehmigungen und Auflagen der zuständigen Behörden /Bergämter,   Umweltämter) sind seitens des Auftraggebers/Projektanten dem ausführenden   Bohrunternehmen zu übergeben. Bei der Planung der Bohrungen und Brunnen   sollten evtl. vorhandene Ergebnisse aus lokalen Voruntersuchungen (Recherchen,   Bohrungen aus der Vorerkundung, Baugrund-/Altlastenuntersuchungen) eingearbeitet   werden. Das Bohrunternehmen erstellt bei der Vorortbesichtigung einen Baubesprechungsplan zur Durchführung der Bohrung.   Dieses Baubesprechungsprotokoll beinhaltet folgende Punkte.

 

 
• geplante Bohrungen / Anzahl der Bohrungen
 
• Auswahl des Bohrgerätes / Zufahrtsbreite und Gestellmöglichleiten
 
• allgemeine Platzvoraussetzungen für eventuelle Mehrbohrungen
 
• Bohrverfahren: Spülbohrung / Imlochhammerbohrung
 
• Sondenlänge
   
• Strom 220 Volt / 380 Volt
 
• Containeraufstellung 7-10m3 (Platzbestimmung für Containeraufstellung)
 
• Einleitegenehmigung vorhanden? Ja / Nein, wenn nicht erteilt wohin versickern etc.
 
• Ausmessung der Bohrpunkte
 
• Absprache über Verlegung EWS bei eventueller Beauftragung
 
• sonstige Absprachen und Beantwortung offenstehender Fragen
 

 

Kleinere Anlagen bis zu Heizleistungen von 30 kW, nur Wärmeentzug

 

Bei Anlagen bis zu einer Wärmepumpen-Heizleitung von 30 kW, die nur im   Heizbetrieb (gegebenenfalls einschließlich Warmwasser) eingesetzt werden,   kann die Auslegung anhand von spezifischen Entzugsleistungen (in W/m) mit Tabelle   2 erfolgen.

 

Diese Entzugsleistungen (d.h. Wärmepumpen-Verdampfleistungen) sind bei   Erdwärmesonden für vorgenannte einfache Fälle zulässig.

 

Bei längeren Laufzeiten ist neben der vorgenannten spezifischen Entzugsleistung   auch die spezifische jährliche Entzugsarbeit zu berücksichtigen, die   den langfristigen Einfluss bestimmt. Sie kann in kWh/(m·a) für Erdwärmesonden   angegeben werden und sollte zwischen 100 und 150 kWh/(m·a) liegen.

Tabelle 2. Mögliche spezifische Entzugsleistungen für Erdwärmesonden

 

   
• nur Wärmeentzug (Heizung einschl. Warmwasser)
 
• Länge der einzelnen Erdwärmesonden zwischen 40 und 100 m
 
• kleinster Abstand zwischen zwei Erdwärmesonden:    
       
  • mindestens 5 m bei Erdwärmesondenlängen 40 bis 50 m
         
  • mindestens 6 m bei Erdwärmesondenlängen >50 bis 100 m
     
   
 
• als Erdwärmesonde kommen Doppel-U-Sonden mit DN 20, DN 25 oder DN 32     mm
      oder Koaxialsonden mit mindestens 60 mm Durchmesser zum Einsatz
   
• nicht anwendbar bei einer größeren Anzahl kleiner Anlagen auf     einem begrenzten Areal

                                                                                                                                                                                                                                                                     

Untergrund	spezifische Entzugsleistung
	für 1800 h	für 2400 h
Allgemeine Richtwerte:
Schlechter Untergrund (trockenes Sediment) (λ < 1,5 W/(m·K))	25 W/m	20 W/m
Normaler Festgesteins-Untergrund und wassergesättigtes Sediment (λ       = 1,5-3,0 W/(m·K))	60 W/m	50 W/m
Festgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit (λ > 3,0 W/(m·L))	84 W/m	70 W/m
Einzelne Gesteine:
Kies, Sand, trocken	< 25 W/m	< 20 W/m
Kies, Sand, wasserführend	65-80 W/m	55-65 W/m
Bei starkem Grundwasserfluss in Kies und Sand, für Einzelanlagen	80-100 W/m	80-100 W/m
Ton, Lehm, feucht	35-50 W/m	30-40 W/m
Kalkstein (massiv)	55-70 W/m	45-60 W/m
Sandstein	65-80 W/m	55-65 W/m
saure Magmatite (z.B. Granite)	65-85 W/m	55-70 W/m
basische Magmatite (z.B. Basalt)	40-65 W/m	35-55 W/m
Gneis	70-85 W/m	60-70 W/m
Die Werte können durch die Gesteinsausbildung wie Klüftung,       Schieferung, Verwitterung erheblich schwanken

Vertikale Erdwärmesonden

Vertikale Erdwärmesonden werden in Erdbohrungen eingebaut. Der sachgemäße   Einbau der Erdwärmesonde und die sorgfältige Verfüllung des Bohrlochringraums   sind die Grundvoraussetzungen für einen einwandfreien Betrieb.

Die Erdwärmesonde wird vorgefertigt angeliefert. Der Einbau der vorgefertigten   Sonden geschieht in der Regel durch das Bohrunternehmen. Generell hat die Handhabung   der Sonden auf der Baustelle mit größter Sorgfalt zu erfolgen, um   mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Der Einbau der Sonde gliedert   sich in folgende Arbeitsschritte, die in einem Prüf- und Abnahmeprotokoll   festgehalten werden:

 

 
• Um das Einbringen der Erdwärmesonde zu erleichtern, ist sie vor dem     Einsetzen mit Wasser zu füllen. Auch bei trockener Bohrung ist die Sonde     spätestens vor dem Verfüllen des Bohrlochs mit Wasser zu füllen,     um ein Aufschwimmen zu verhindern. Es ist zu prüfen, ob ein zusätzliches     Gewicht am Sondenfuß anzubringen ist.

 

Verpressung des Bohrlochringraums

 

nach dem Einbringen der Erdwärmesonde muss der Anschluss der Wärmeübertragerrohre   an dem Untergrund durch eine einwandfreie Hinterfüllung hergestellt werden.   Dazu muss der Bohrlochringraum vom Sondenfuß bis zur Oberfläche vollständig   und lückenlos verfüllt werden; diese Hinterfüllung muss aus mehreren   Gründen sachgemäß und sorgfälltig durchgeführt werden:

 

 
• Sicherstellung des Wärmetransports vom Gestein an das Wärmeträgermedium     bei Wärmeentzug bzw. umgekehrt bei Wärmeeinspeisung
 
• Abdichtung des Bohrlochs nach oben, um den Eintrag von Schadstoffen zu unterbinden     und um evtl. durchteufte Grundwasserleiter untereinander abzudichten

 

Eine schlüssige Verpressung des Ringraumes ist nur gewährleistet,   wenn die Bohrung von unten nach oben mit einer geeigneten Suspension verpresst   wird. Diese muss nach Aushärtung eine dichte und dauerhafte, physikalisch   und chemische stabile Einbindung der Erdwärmesonde in das umgebende Gestein   gewährleisten. Lufteinschlüsse und Hohlräume sind unter allen   Umständen zu vermeiden. Davon darf nur in den unten aufgeführten Sonderfällen   abgewichen werden. Die Verfüllung kann z.B. folgendermaßen erfolgen:

 

Beim Einsetzen der Erdwärmesonde ist bereits ein Rohr bis Endteufe einzubauen,   durch das die Verfüllsuspension eingepresst werden kann. Dieses Rohr wird   entsprechend dem Fortschritt beim Verfüllen gezogen. Bei tiefen Bohrlöchern   (> 60 m Tiefe) können Probleme mit dem Ziehen des Verfüllrohres   auftreten, d.h. das Rohr muss im Bohrloch verbleiben. In diesen Fällen   sollten zwei Rohre eingesetzt werden, eines bis Endteufe, das im Bohrloch verbleibt,   und das zweite bis etwa halbe Endteufe, das gezogen werden kann. Von Endteufe   bis zum Ende des zweiten Rohres erfolgt die Verfüllung über das untere   Rohr, dann über das obere Rohr.

Beim ziehen des Verfüllrohres muss der Auslass stets unterhalb des aktuellen   Füllstandes sein, um Lufteinschlüsse zu unterbinden. Ein im Bohrloch   verbleibendes muss seinerseits mit Suspension gefüllt bleiben.

 

Die Verfüllsuspension muss für die jeweilige Einsatztemperatur geeignet   sein. Insbesondere bei reinem Wärmeentzug ist auf Frostsicherheit zu achten.   In der Praxis haben sich Bentonit (ein natürliches Tonmineral)/HOZ (Hochofenzement)/Wasser-   oder Bentonit/HOZ/Sand/Wasser-Suspension bewährt. Reine Bentonit/Wasser-Suspensionen   sind nicht geeignet, sie weisen einerseits eine schlechte Wärmeleitfähigkeit   (< 0,7/(m·K) bei 10°C) auf und sind andererseits nicht frostbeständig.   Die Zugabe von Zement ermöglicht den Einsatz bei Temperaturen im Bereich   bis etwa -15°C, durch Zugabe von Quarzsand oder Quarzmehl erhöht sich   die Wärmeleitfähigkeit (über 0,8/(mK) bei10°C).

 

Bei Bentonit/HOZ/Sand/Wasser-Suspension sollte der prozentuale Anteil an Bentonit   und Zement jeweils etwa 10 Gew.-% betragen, der Sand von etwa 30 Gew.-%. Zu   hohe Zementzugaben sind ebenso wie das Verpressen mit reiner Zementmilch oder   feinem Mörtel zu vermeiden, damit die Bohrlochverfüllung leicht plastisch   bleibt und die thermische Dilatation der Erdwärmesonde nicht behindert   wird.

Die Zugabe von Quarzsand kann einen höheren Verschleiß der Verpresspumpen   bewirken. Die Zugabe von Quarzmehl statt Quarzsand ist ebenso möglich wie   das Verpressen mit reinem Bentonit/HOZ/Wasser-Suspension, die dann im Verhältnis   von z.B. 25/25/50 Gew.-% zusammengestellt werden. Statt Betonit können   hier auch andere quellende Tone oder gemahlene Tonsteine in Betracht kommen.

Quelle: O.B. Bergsicherung Gera GmbH