Terra Umweltwärmesonde

Die besondere Konstruktion der Umweltwärmesonde besteht darin, dass das von der Wärmepumpe entwärmte Medium nahezu ohne Wärmeaufnahme den Sondenfuß erreicht. Während die hydraulischen Querschnitte der auf- und absteigenden Rohrleitungen gleich sind, bieten die aufsteigenden Rohrleitungen zur Wärmeaufnahme ein etwa 2 ½ größere Oberfläche.

Durch die nunmehr gewonnene größere Wärmeaufnahmemöglichkeit, kann bei gleicher Bohrtiefe (wie bei der handelsüblichen Doppel U Sonden) die Vor - und Rücklauftemperatur soweit angehoben werden, dass die Sonde im positiven Temperaturbereich gefahren werden kann.

Eine Reduzierung der Investitionskosten ist durch den Einsatz der Umweltwärmesonde möglich, indem die Sonde mit Frostschutzmitteln betrieben wird. Hierdurch können gegenüber der konventionellen U-Rohrsonde bei gleicher Leistung Bohrteufen und Sondenlängen eingespart werden.

Die größten Vorteile der Umweltwärmesonde bestehen in der universellen Einsetzbarkeit in fast allen Bodenbereichen ohne umweltschädliche Auswirkungen, bei gleichzeitiger höherer Ausnutzung der Erdwärmequelle.

Um die Unterschiede der Wärmeübertragung in den Sonden zu verdeutlichen wird in der
Abbildung der Wärmestrom durch die roten Pfeilen dargestellt.

Bei der konventionellen U-Sonde geht ein Teil der bereits absorbierten Wärme durch die
unmittelbare Nähe der kalten absteigenden Soleflüssigkeit wieder verloren. Es entsteht ein thermischer Kurzschluss.

Der Wärmestrom ist die wesentliche Einflussgröße für übertragene Leistung.
Die maximale übertragbare Leistung ergibt sich daher aus der Kette Ergiebigkeit des Erdreiches, der Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches und des Verpressmaterials um die Bohrung, der Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials und der Art der Wärmeaufnahmefläche ( Sonde ). Jede dieser Faktoren stelle Widerstände in der Wärmeübertragung dar.
Dabei sind die Ergiebigkeit und Leitfähigkeit sowie die Größe und Ausrichtung der Aufnahmefläche die Hauptkriterien.

Um die Wärmegewinnung zu verbessern, sollten in den parallel laufenden Sondenrohren keine unkontrollierten Wärmeübertragungsverluste stattfinden. Aus diesem Grund ist bei der Terra Umweltwärmesonde das zentrale kältere Rohr oberhalb einer Inversionstiefe thermisch isoliert.
Je geringer der Bohrlochwiderstand, desto höher die Wärmeübertragung

Der thermische Bohrlochwiderstand gibt, ähnlich einem Wärmeübertragungsverlust, den Temperaturverlust beim Übergang von Wärme aus dem Gebirge auf das Wärmeträgermedium ( Sole) an. Er wird auch durch den Bohrlochdurchmesser, der Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials und der Art der Erdwärmesonde bestimmt.
Auch durch die Wahl eines geringeren Bohrlochdurchmessers kann der Bohrlochwiderstand verringert werden. Aufgrund behördlicher Vorgaben sind jedoch häufig Mindestdurchmesser einzuhalten. Auch technische Erfordernisse beim Einbau der Sonde sind zu beachten. Daher ist eine natürliche Begrenzung zwangsläufig vorgegeben.
Bei einer höheren Wärmeleitfähigkeit des Hinterfüllmaterials wird der Temperaturverlust beim Wärmeübergang vom Gebirge zur Erdwärmesonde vermindert.

Der Bohrlochwiderstand bestimmt die Temperaturdifferenz zwischen Bohrlochwand und Fluidtemperatur
Je geringer der Bohrlochwiderstand ist, desto näher liegt die Fluidtemperatur an der Bohrlochwandtemperatur
Je höher die Fluidtemperatur ist, je besser der Arbeitszahl der Wärmepumpe
Je höher die JAZ, desto geringer die Laufzeit der WP (bei gleich bleibender elektrischen Leistung und gleichem Bedarf
Je geringer die Laufzeit , desto geringer die elektrischen Energiekosten für die Wärmepumpe

Auf dem Markt werden mittlerweile eine Reihe von thermisch verbesserten Verpressmaterialien mit einer Leitfähigkeit bis 1,4 bis 2 W/ (m K) angeboten.
Gegenüber einer herkömmlichen Verpressung ( 0,8 W/(mK) ) kann durch den Einsatz von thermisch verbessertem Verfüllmaterial, bei sonst gleich bleibender Bohrlochkonfiguration, mit 1,0K bis 1,5 K höheren Soletemperaturen gerechnet werden.

Mit der Terra Umweltwärmesonde ist eine Verminderung des Bohrlochwiderstandes ohne Einsatz einer verbesserten Verfüllmaterials um 20 % nachgewiesen worden.
Das bedeutet eine Erhöhung der Soletemperatur um ca. 1,8 K bei gleicher Bohrlochkonfiguration.

Der Nachweis erfolgte in Feldversuchen sowie in einem Laborversuch in der Fachhochschule Nordhausen.

Innovation im Namen der Umwelt