Bemerkenswertes Potenzial

Im Rahmen der genannten Arbeiten erfolgte die Entwicklung eines CO₂-Erdwärmerohres aus flexibel gewelltem Edelstahl, welches wie die Solesonde als Erdsonde vom Bund in das Bohrloch eingebracht werden kann2. Edelstahlwellrohre dieser Art werden allgemein für verschiedene Anwendungen hergestellt. Die Wahl dieses flexiblen Wärmerohrmaterials wurde getroffen, weil es als Metall die Diffusion von CO₂ verhindert, druckgeprüft, sowie resistent gegen chemische Korrosion im Verfüllungsmaterial ist, und auch die Lieferung in einem Stück auf einer Trommel zum Bohrplatz und die Einbringung in das Bohrloch ebenso wie bei Solesonden ermöglicht.

Nach der erstmaligen Patentanmeldung des FKW Hannover 1998³, Erdwärmesonden mit dem Wärmeträger CO₂ zu verwenden, erschien in den Folgejahren diese CO₂-Technologie zunächst in Österreich und der Schweiz mit Pilotanlagen im Markt. Dabei stand die Frage der Energieeffizienz dieses pumpenlosen Systems im Vordergrund der Betrachtungen. Deshalb initiierte das schweizerische Bundesamt für Energie (BFE) eine Studie von Peterlunger, Ehrbar et al.⁴ gemäß Bild 1, mit der das energetische Potenzial von CO₂-Sonden im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen geothermischer Wärmepumpen abgeschätzt werden sollte. Dies sind Horizontalkollektoren mit Direktverdampfung des Kältemittels, Grundwasserpump­systeme mit und ohne Zwischenwärmeübertrager zur Wärmepumpe, sowie vertikale Erdsonden mit Wasser oder Sole.

Das wesentliche Interesse bestand am energetischen Vergleich der CO₂-Erdwärmesonden gegenüber denen mit Solesonden. Der Vergleich, ausgehend von einer in der Schweiz installierten CO₂-Sonde, wurde durchgeführt anhand berechneter Jahresarbeitszahlen für eine damalige schweizerische Satag-R407 C-Wärmepumpe, auf de-ren Bauart die am FKW verwendeten Viessmann Wärmepumpen beruhen.

Diese berechneten Jahresarbeitszahlen liegen nach Bild 1 für die Erdwärmepumpen mit Solesonden und Umwälzpumpen je nach deren verschiedener energetischer Optimierung als Nass- oder Trockenläufer zwischen 3,63 und 4,06. Das Potenzial für die Erdwärmepumpen mit CO₂-Sonden liegt dagegen bei höheren Jahresarbeitszahlen zwischen 4,68 und 5,29. Hierbei bezieht sich der untere Wert auf eine Verdampferauslegung für ein Kältemittel mit Temperaturgleit, wie das Gemisch R 407 C, der obere Wert auf ein Einstoff-Kältemittel ohne Temperaturgleit. Diese im Jahr 2004 berechneten Jahresarbeitszahlen waren erste Abschätzungen anhand einer wirklichen Wärmepumpe mit verschiedenen Erdwärmesystemen, jedoch waren direkte energetische Vergleichsmessungen der beiden Systeme besonders wünschenswert.

Das FKW hat im Laufe der Zeit ver­-sucht, solche Vergleichsmessungen zwischen der Solesonde und dem CO₂-Erdwärme­rohr durchzuführen, was wegen der vielen verschiedenen Einflussparameter schwierig war.

Untersuchungen

Für das Wellrohr selbst waren noch Fragen offen, zum Beispiel zur Einbringung des Erdwärmerohres in das Bohrloch analog der Solesonden, zur besseren Anbindung an die Erde mittels einer geeigneten Verfüllmasse mit hoher Wärmeleitfähigkeit, als auch zur Korrosionsvermeidung durch einen geeigneten Edelstahl.

Das Forschungsprojekt war auch dazu bestimmt, genaue Messungen durchzuführen, um danach in der Lage zu sein, die einzelnen Komponenten des CO₂-Erdwärmerohres zu verbessern. Die nachfolgend beschriebenen neuen Tests im Vergleich zu einer Solesonde sollten mit einem in­dustriell gefertigten neuen Wärmeübertrager als Verdampfer im Kopf der Sonde (Bild 2 und 3) durch genauere Messungen und unter vergleichbaren Betriebsbedingungen durchgeführt werden.

Der Shell and Coil-Wärmeübertrager besteht aus zwei parallel geschalteten Elementen in einem Druckbehälter aus je vier Kupferrohrwendeln. Der gesamte Wärmeübertrager mit einer Fläche von 1,7 m² wurde für ein 100 m langes Erdwärmerohr mit einer Wärmeentzugsleistung von 5 kW ausgelegt und um 25 Prozent überdimen­sioniert. Seine Leistung wurde auf einem 7 m langen Testwärmerohr mit einem darunterliegendem CO₂-Dampferzeuger zur Simulation eines 5-kW-Erdwärmerohres von 100 m Tiefe mit R 134 a zu 6,48 kW und mit R 407 C zu 6,71 kW gemessen. Als Nennleistung wurde 6,5 kW für den Vergleich zur Solesonde definiert.

Zur Durchführung der Arbeiten wurden für die Erdsonden drei Bohrlöcher von je 100 m Tiefe abgeteuft, und zwar zwei mit 160 mm Durchmesser für das CO₂-Erdwärmerohr von 39 mm lichter Weite und für eine 4 x 32 mm Duplex-Solesonde, sowie ein weiteres Bohrloch mit 180 mm Durchmesser für ein 100 mm Edelstahlrohr, welches mit Wasser gefüllt, als Forschungssonde in der Lage ist, vorübergehend verschiedene Erdsonden oder Wärmerohre für künftige Forschungs- oder Entwicklungsarbeiten aufzunehmen.

Für die Versuche wurden zwei gleiche Wärmepumpen aufgestellt, nämlich die Solewärmepumpe und die Wärmepumpe für das CO₂-Erdwärmerohr, die sich nur hinsichtlich des Verdampfers unterscheiden.

Um die vermutlich unterschiedlichen Widerstände beim Wärmefluss zwischen dem ungestörten Erdreich und dem Kältemittel in beiden Fällen zu bestimmen, wurden zwei parallele Vergleichstests geplant, nämlich einer mit gleichen Verdampfungstemperaturen und ein anderer mit gleichen Kälteleistungen in beiden Verdampfern.

Zu diesem Zweck wurden zwei Scroll-verdichter mit Pulsweitenmodulation verwendet. In Voruntersuchungen wurden deren verschiedenen Verdichter-Gütegrade abhängig von der eingeregelten Leistung gemessen, was für eine korrekte Auswertung beider Tests erforderlich war, um die Kälte- und Wärmeleistungszahlen (COP_o und COP_h) von jeder Wärmepumpe für eine Wasservorlauftemperatur von 35 °C in einem gemeinsamen Pufferspeicher zu bestimmen.

Vergleich der Wärmeübertrager für das CO₂-Erdwärmerohr und für die Solesonde

Der erste Test mit nahezu gleichen Verdampfungstemperaturen (Test 1) zeigte sehr unterschiedliche Leistungen am Verdampfer und Verflüssiger (Bild 4), wobei durch den höheren Massenstrom in der Solewärmepumpe auch die Kondensationstemperatur des Kältemittels beeinflusst wird und damit die Heizleistungszahl leicht abnimmt. Weiterhin vermindert die elektrische Antriebsleistung der Solepumpe die Kälte- und Wärmeleistungszahlen, sodass die Kälteleistungszahlen nicht ganz gleich sind (Bild 5).

Die verschiedenen Leistungen beider Systeme erzeugen ihrerseits verschiedene mittlere Temperaturdifferenzen von 5 K und 2,5 K in den jeweiligen Verdampfern. Dementsprechend stellen sich auch größere oder kleinere Temperaturunterschiede von 14,1 K und 16,4 K zum ungestörten Erdreich ein, welches mit einer Temperatur von 12 °C angenommen wurde.

Dies ist der Hauptgrund für die un­ter-schiedlichen Erdwärmeentzugsleistungen beider Systeme. Aus diesem Ergebnis wurde deutlich, dass der Solekühler mit der Hälfte der mittleren Temperaturdifferenz im Verdampfer gegenüber den Shell und Coil-Wärmeübertragern deutlich überdimensioniert war, im Gegensatz zur Anforderung gleicher Leistung. Eine spezielle Aus­legungsrechnung bestätigte, dass der Solekühler, der für eine Leistung von 6,5 kW speziell geordert worden war, in der Tat eine solche von 8,7 kW hatte.

Um mit dem Shell und Coil-Verdampfer die gleiche mittlere Temperaturdifferenz von 2,5 K wie im Solekühler zu erreichen, müsste entsprechend seiner bisher doppelt so großen Temperaturdifferenz die Wärmeübertragungsfläche auf 3,4 m² verdoppelt werden, was aus Kosten- und Platzgründen ausschied.

Der zweite Test mit gleicher Kälteleistung beider Wärmepumpen von ca. 5 KW (Test 2) zeigt aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen in den beiden Verdampfern unterschiedliche COPs. Durch die kleinere Verdampferfläche des CO₂-seitigen Verdampfers ist der Kreislauf mit der CO₂-Sonde benachteiligt und führt zu einer geringeren Effektivität. Die Verdampfungstemperatur des CO₂-Systems liegt mit 8,4 °C ca. 5 K unter dem Wert des Sole­systems (Bild 6).

Wenn auch die gleiche Qualität des Shell und Coil-Wärmeübertragers durch eine gleiche Temperaturdifferenz wie bei dem Soleplattenwärmeübertrager durch die Erhöhung der Wärmeübertragerfläche auf den doppelten Wert, wie oben dargestellt, erreicht werden würde, so sollte dabei auch eine gleiche Quantität der Kälteleistung wie beim Solekühler mit dem Shell und Coil-Wärmeübertrager erzielt werden. Dazu wäre allerdings entsprechend den sehr unterschiedlichen Temperaturdifferenzen in beiden Wärmeübertragern beim Test 2 von 5,1 K und 1,5 K eine etwa dreifache Erhöhung der Fläche des Shell und Coil-Wärmeübertragers notwendig. Dies ist eine so starke Zunahme, dass wegen des Platzes im Schacht und wegen der Kosten des Materials für den Wärmeübertrager auf dem Erdwärmerohr eine andere Konstruktion verwendet werden sollte. Hier könnte zukünftig ein platz- und materialsparender Plattenwärmeübertrager die bessere Lösung darstellen. Unter der Annahme eines Plattenkondensator-Verdampfers der gleichen Qualität und Leistung wie des bestehenden Solekühlers könnten noch bessere Leistungszahlen mit dem CO₂-System erreicht werden, als man allein infolge der nicht benötigten Solepumpenleistung einsparen würde.

Vergleich CO₂-Wärmerohr zur Solesonde

Ein Verfahren, wie es zuvor zur Bewertung der Wärmeübertrager durchgeführt wurde, sollte natürlich auch mithilfe der Testergebnisse für das CO₂-Erdwärmerohr im Vergleich zur Solesonde durchgeführt werden:

Mithilfe der Ergebnisse von Test 1 konnten daraus Wärmedurchgangswerte für das CO₂-Wärmerohr von k = 17,1 W/m²K und für die Solesonde von k = 9,3 W/m²K ermittelt werden, also etwa die Hälfte des Wertes für das CO₂-Wärmerohr. Gemeinsam mit der Wärmeübertragerfläche A ergibt sich für das CO₂-Erdwärmerohr mit A = 18,8 m² ein k*A-Wert von 321 W/K und für die Solesonde mit A = 40 m² ein k*A-Wert von 372 W/K, was klar zeigt, dass das CO₂-Wärmerohr seinen thermodynamischen Vorteil durch eine zu kleine Fläche verliert und die Solesonde ihre schlechteren Wärmedurchgangswerte durch eine mehr als doppelt so große Oberfläche sogar leicht überkompensiert.

Unter der Annahme einer Tempera­turdifferenz von 16,4 K zum ungestörten Erdreich, wie im Test 1, sollte der von der Solesonde erreichte Wärmeentzug aus der Erde von 6,07 kW auch im Falle des CO₂-Wärmerohres erreicht werden. Für ­diesen Wärmeentzug müsste dann die Rohrfläche von 18,8 m² auf 21,8 m² erhöht werden.

Da die nächste Durchmesserstufe der verfügbaren Wellrohre oberhalb einer lichten Weite von 39 mm eine solche mit einer lichten Weite von 48 mm ist und eine Mantelfläche von 23,5 m² bei einer Länge von 100 m hat, würde bei Wahl eines solchen Rohres der Wärmeentzug statt der geforderten von 6,07 kW sogar 6,6 kW betragen, wobei statt der Temperaturdifferenz von 16,4 K in Test 1 nunmehr 15,3 K zur ungestörten Erdtemperatur von 12 °C ausreichen würden. Dies führt zu einer höheren Verdampfungstemperatur und damit zu einer höheren Kälteleistungs- und Wärmeleistungszahl. Wenn man den Test 2 mit gleichen Kälteleistungen von 5 kW berücksichtigt, dann würde das 100-m-Wärmerohr mit 48 mm lichter Weite bei dieser gewünschten Entzugleistung nur noch eine Temperaturdifferenz von 11,4 K zur ungestörten Erde mit 12 °C erfordern, was einer Verdampfungstemperatur von 1 °C und einer noch höheren Wärmeleistungszahl entsprechen würde (Bild 7).

CO₂-Erdwärmerohr mit größerem Durchmesser und Plattenwärmeübertrager

Berechnet man den Effekt beider Verbesserungen, nämlich des Ersatzes des Shell und Coil-Wärmeübertragers auf dem Erdwärmerohr durch einen Plattenwärmeübertrager sowie der Vergrößerung des Erdwärmerohrdurchmessers, dann kann man die Verbesserungen der Kälte- und Wärmeleistungszahlen gemäß der folgenden Tabelle erwarten:

Messtechnische Überprüfung eines Plattenwärmeübertragers für das CO₂-Erdwärmerohr

Beim Plattenwärmeübertrager auf dem Erdwärmerohr wird im Gegensatz dazu das Gas zur Kondensatorseite durch den Thermosiphon-Effekt und durch den Saugeffekt der Kondensation eines Gases geringerer Dichte zu einer Flüssigkeit hoher Dichte bewegt. Weil die Abmessungen dieses Wärmerohrkopfes mit einem Plattenwärmeübertrager wesentlich kleiner als die des Shell und Coil-Wärmeübertragers sind, scheint es möglich zu sein, den Plattenwärmeübertrager mit seiner Rohranbindung zum Erdwärmerohr in der Wärmepumpe anstelle des Solekühlers zu installieren.

Die Resultate des Versuchs ergaben bei einer gemessenen Wasservorlauftemperatur von 40,2 °C und einer gemessenen Wärmerohr-Außenwandtemperatur von 0,6 °C bei 25 m Tiefe unter stationären Bedingungen über zwei Stunden Versuchszeit

• Kälte- und Wärmeleistung Q_o = 4 kW und Q_h = 5,5 kW,
• Elektrische Antriebsleistung des Verdichters und der Wasserpumpe P_vkl = 1,49 kW und P_pkl = 0,1 kW,
• Kälte- und Wärmeleistungszahlen COP_o = 2,75 und COP_h (E0/W40) = 3,75

Die zu geringen Kälte- und Wärmeleistungen wurden durch die geringeren Flächen des CO₂/R 407 C-Plattenwärmeübertragers mit 1,67 m², in der Fläche nahezu gleich dem früheren Shell und Coil-Wärmeübertrager mit 1,7 m² und dem kleinerem Erdwärmerohr mit nur 39 mm lichter Weite und einer Oberflächengröße von nur 18,8 m² mit einem angepassten Kompressor mit 5,92 m³/h Fördervolumen verursacht.

Deswegen wurde das Ergebnis der oben gemessenen Wärmeleistungszahl COP_h für einen größeren Plattenwärmeübertrager mit 2,11 m² und ein größeres Erdwärme-rohr von 48 mm Durchmesser und einer Mantelfläche von 23,5 m², sowie für einen Kompressor für 5 kW Kälteleistung mit 7,31 m³/h und für eine Wasservorlauftem­peratur von 35 °C umgerechnet zu:COP_h (E0/W35) = 4,41

Dieses Ergebnis bestätigt die zuvor durchgeführte Umrechnung der Testresultate des Shell and Coil-Wärmerohrkopfes beim Vergleich der Solewärmepumpe zur Splitwärmepumpe mit dem CO₂-Erdwärmerohr größeren Durchmessers von 48 mm und mit einem Plattenwärmeübertrager von 1,5 K mittlerer Temperaturdifferenz gemäß obiger Tabelle mit COP_h = 4,38 im Vergleich zu COP_h = 3,90 der ­Solewärmepumpe.

Das Potenzial der höheren energetischen Qualität des CO₂-Systems wurde auch von Peterlunger, Professor Ehrbar et al. aus Buchs, Schweiz, vorhergesagt, die durch Berechnungen mit den Daten einer ähnlichen Wärmepumpe, wie hier verwendet, den Bereich der Jahresarbeitszahlen für die betrachtete Wärmepumpe mit einer Solesonde in Abhängigkeit von der Qualität der Solepumpe zwischen 3,63 und 4,06 und den mit einer CO₂Erdwärmesonde, abhängig vom Kälte­mittelgemisch wie R 407 C oder einem Einstoffkältemittel zwischen 4,68 und 5,29 ermittelte4.

Die Schlussfolgerung der Untersuchungen lautet also eindeutig: Das Resultat dieser Vergleichsrechnung, die auf sehr sorgfältigen Messungen⁵ beruht, zeigt, dass das CO₂-Erdwärmerohr unter vergleichbaren Auslegungs- und Betriebsbedingungen ein bemerkenswertes Potenzial für eine höhere Leistungszahl und infolgedessen eine höhere Jahresarbeitszahl als die Solesonde bietet. -

1 Redaktionell gekürzter Vortrag von der DKV-Tagung 2010 in Magdeburg

2 Kruse, H., 2003, Patent Nr.: DE 10327602.5-15

3 Kruse, H., 1998, Patent Nr.: DE 19860328.2

4 Peterlunger, A., Ehrbar M., Basetti S., Rohner E., 2004, Pumpenlose Erdwärmesonde: Phase 1: Potentialab­klärung, Machbarkeitsstudie energetisch und wirtschaftlich. Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB, im Auftrag des Bundesamtes für Energie (30. 11. 2004).

5 Für die Mitarbeit bei den Messungen ist zu danken: Dipl.-Ing. (FH) Dirk Gebhardt, Mitarbeiter und Tech­nischer Leiter des FKW während der Laufzeit des vorstehend beschriebenen Forschungsvorhabens EWR III für seine wertvolle Leitung und Mitarbeit im experimentellen Bereich des Projektes, und bei Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Bruns, Diplomand der Fachhochschule Hannover für seine äußerst sorgfältigen ­Vergleichsmessungen an den beiden Erdwärmepumpen mit dem CO₂-Erdwärmerohr und der Solesonde im Rahmen seiner Diplomarbeit.

ehemals FKW Forschungs­zentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen, ­Hannover

FKW Forschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen, Hannover