Die Auslegung der Hydraulik verlangt Fachkenntnisse

Für einen effizienten Betrieb der Erdwärmesonde (EWS) ist eine Optimierung der hydraulischen Verhältnisse im Sondenkreis erforderlich. Die Grösse der Sondenrohre, die Dimensionierung der Umwälzpumpe im Sondenkreis und damit der Volumenstrom des Fluids in der EWS sowie die Auslegung des Expansionsgefässes müssen stimmen.

Eine Temperaturdifferenz im Sondenkreis von 4°C ist ideal

Der Volumenstrom im Sondenkreis bestimmt die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf, aber auch die Strömungsverhältnisse in den Sondenrohren und damit den Druckverlust im Sondenkreis.
Die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf darf nicht zu gross sein, da sonst auch die mittlere, für den Wärmefluss massgebende Temperatur steigt und die Sonde nicht die volle Leistung bringen kann. Wenn diese Temperaturdifferenz hingegen zu klein gewählt wird, muss entsprechend mehr Flüssigkeit umgewälzt werden, um die gewonnene Wärme abzuführen. Dies erhöht die benötigte Leistung der Umwälzpumpe, mit einem entsprechendem Mehrbedarf an elektrischer Energie.

In der Literatur oder bei Wärmepumpenherstellern findet sich vielfach die Empfehlung, die Temperaturdifferenz auf 3°C festzulegen. In der Praxis zeigt sich aber, dass bei mit Sole gefüllten EWS eine Differenz von 4°C ideal ist. Es ist zu empfehlen, auf diese Temperaturdifferenz auszulegen. Die Differenz kann gut bis zu 5°C betragen, deswegen ist es auch kein Problem, wenn bei der Auslegung auf 4°C eine etwas zu kleine Pumpe gewählt wird.

Bei reinem Wasser in der EWS ist die Anlage dagegen auf eine Temperaturdifferenz von 3°C auszulegen.

Optimaler Rohrdurchmesser

Bei genauerer Analyse offenbart sich ein sehr interessanter Zusammenhang zwischen Rohrdurchmesser und Sondentiefe. Die Jahresarbeitszahl wird einerseits beeinflusst durch die Leistung, welche benötigt wird, um das Sondenfluid umzuwälzen, und andererseits durch den Wärmeübergangswiderstand des Wärmeflusses vom Erdreich ins Sondenfluid. Beide diese Werte werden stark durch die Strömungsart des Sondenfluids beeinflusst.

• Laminar - Bei laminarer Strömung ist die zum Umwälzen benötigte Leistung geringer. Der Nachteil ist, dass auch der Wärmestrom vom Erdreich ins Sondenfluid kleiner ist, da die Randschichten des Fluids an der inneren Rohrwand einen Wärmeübergangswiderstand darstellen und somit die Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Erdreich grösser wird, resp. bei Heizbetrieb eine tiefere Fluidtemperatur resultiert.
• Turbulent - Wird die Durchflussrate erhöht, schlägt die Strömung ab einem gewissen Wert von laminar zu turbulent um. Dies erhöht den Leistungsbedarf der Umwälzpumpe, aber verbessert gleichzeitig den Wärmeübergang drastisch.

Die Rohre für Erdwärmesonden werden meist mit zwei Durchmessern verwendet: 32mm (DN 32) oder 40mm (DN 40). Das untenstehende Bild zeigt eine Beispielberechnung der JAZ eine Erdwärmesondenanlage mit reinem Wasser für verschiedene Sondenlängen (die Erkenntnisse sind aber für jedes Sondenfluid gültig). Die Grafik erlaubt zwar nur qualitative Aussagen, offenbart aber einen sehr interessanten Zusammenhang:

• Turbulent ist besser als laminar. Es ist klar zu erkennen, dass der Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung einen deutlichen Sprung in der Jahresarbeitszahl zur Folge hat. Dies bedeutet, dass die höhere Fluidtemperatur (die damit bessere Arbeitszahl der Wärmepumpe) die zusätzlich benötigte Leistung in der Umwälzpumpe mehr als aufwiegt.

Fazit: In der Planungsphase sollten die Strömungsverhältnisse in beiden Rohrdurchmessern berechnet werden. Ist die Strömung im 40mm-Rohr laminar, aber im 32mm-Rohr turbulent, sollte das dünnere Rohr immer vorgezogen werden.
Ist die Strömung in beiden Rohrtypen turbulent, ist hingegen das dickere Rohr die bessere Wahl.

Als Faustregel kann gelten, dass bei Wasser bis zu einer Tiefe von 80 m ein DN 32 Rohr verwendet werden sollte. Mit Sole als Fluid in der EWS soll bis zu einer Sondentiefe von ca. 120 m Sondentiefe ein DN 32 Rohr verwendet werden.