Grundwasser ist die ergiebigste Wärmequelle.
Durch die über das Jahr konstante Temperatur von 8 - 10 °C lassen sich die im Vergleich aller Systeme höchsten Wärmeentzugsleistungen erzielen.
Wenn Grundwasser in ausreichender Menge, Temperatur, Qualität und in einer möglichst geringen Tiefe vorhanden ist, kann dieses mit einer Wasser/Wasser Wärmepumpe sehr wirtschaftlich genutzt werden. Über einen Saugbrunnen wird das Grundwasser mit Hilfe einer Tauchpumpe der Wärmepumpe zugeführt.
Diese entzieht dem Grundwasser Wärme und anschließend wird das abgekühlte Wasser über einen Schluckbrunnen wieder in das Grundwasser eingebracht. Eine Abkühlung des Grundwassers ist in den meisten Regionen durchaus erwünscht (bis auf ca. 5 °C), da die Grundwassertemperaturen durch
Kultureinflüsse vielerorts angestiegen sind.
Saug- und Schluckbrunnen werden in einem Abstand von ca. 15 m installiert.
Eine Wasser/Wasser-Lösung lohnt sich insbesondere für größere Objekte mit einem hohen Heizbedarf. Ein genereller Nachteil dieser Wärmequelle ist der hohe Planungsaufwand.
So muss die Nutzung von Grundwasserwärme grundsätzlich durch die Untere Wasserbehörde (D) bzw. Wasserrechtsbehörde (AT) genehmigt werden.
Projektierung einer Wasser-Wasser-Wärmepumpenanlage
Bei einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird aus dem Grundwasserleiter Wasser zur Wärmepumpe gepumpt. Diesem Wasser wird Wärme entzogen, indem es ausgekühlt wird. Das kühlere Wasser wird über den Schluckbrunnen dem Grundwasserleiter wieder zugeführt.
Wasser-Wasser-Wärmepumpen haben unumstritten den besten Wirkungsgrad. Um eine Wasser- Wasser-Wärmepumpe langfristig sicher betreiben zu können, müssen folgende Grundvorrausetzungen unbedingt erfüllt sein:
- Das Wasser muss eisen- und manganfrei sein. Darüber hinaus müssen weitere Kriterien an die Wasserqualität (Aggressivität des Wassers) erfüllt sein. Siehe Merkblatt/Grenzwerte Korrosionsbeständigkeit. Sind diese Vorraussetzungen nicht erfüllt, ist von einer Wasser- Wasser-Wärmepumpe abzuraten.
- Es muss gewährleistet sein, dass der Schluckbrunnen das zurücklaufende Wasser aufnehmen kann, was z. B. bei lehmigen, wasserundurchlässigen Böden oder bei sehr hohen Grundwasserständen nur schwer möglich ist. Die Menge des zurückfließenden Wassers hängt von der Wärmepumpe und deren Leistung ab. Ist diese Vorraussetzung nicht erfüllt, ist von
einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe abzuraten.
Bei tiefem Grundwasserspiegel muss die Rücklaufleitung in den Schluckbrunnen gleich tief wie die Saugleitung verlegt werden. So gilt das Prinzip der kommunizierenden Röhren. Das in den Schluckbrunnen zurückfallende Wasser sorgt für den Druckausgleich.
Vorgehensweise:
- Zunächst ist festzustellen, ob ausreichend Grundwasser gefördert und vor allem dem Boden wieder zugeführt werden kann.
- Weiterhin muss untersucht werden, ob das Brunnenwasser eisen oder manganhaltig ist.
Bei Überschreitung der Grenzwerte (Fe < 0,2 mg/l, Mn < 0,05 mg/l) ist von einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe abzuraten. - Anhand einer Wasseranalyse ist die Aggressivität des Wassers festzustellen. Bei aggressiven Wässern ist ein korrosionsbeständiger (nickelgelöteter) Wärmetauscher einzusetzen oder eine Systemtrennung. Eine Systemtrennung bedeutet zusätzliche Übertragungsverluste und
einen zusätzlichen Energieaufwand für die zusätzliche Umwälzpumpe. - Nun gilt es, einen geeigneten Platz für den Förder- und Schluckbrunnen zu finden. Dabei sind entsprechende Mindestabstände zu berücksichtigen.
- Sind o. g. Voraussetzungen erfüllt, sind die Rohrleitungen entsprechend zu dimensionieren.
- Anhand der Summe der Druckverluste muss dann letztendlich die Unterwasserpumpe bestimmt werden.
Es ist zu bedenken, dass beim Pumpbetrieb der Wasserspiegel im Brunnen sinkt – und im Zuge der Alterung des Brunnens diese Absenkung zunimmt.
Geologische Bedingungen
Wichtig bei der Überprüfung der geologischen Verhältnisse ist nicht die zu erzielende Förderleistung, sondern vielmehr die mögliche Aufnahmeleistung des Schluckbrunnens.
Diese wiederum hängt von folgenden Faktoren ab:
- Die Ergiebigkeit bzw. Aufnahmefähigkeit des Bodens. Je ergiebiger der Boden ist, desto besser ist auch die Aufnahmefähigkeit des Bodens. Man darf auf keinen Fall davon ausgehen, dass der Boden dieselbe Wassermenge aufnimmt, die er auch fördern kann!
- Die Aufnahmefähigkeit hängt weiterhin auch vom Grundwasserspiegel ab. Bei einem hohen Grundwasserspiegel in Verbindung mit einer zu geringen Aufnahmefähigkeit kann es sein, dass der Schluckbrunnen das Wasser nicht aufnimmt. Gegebenenfalls kann hier ein geschlossener Brunnenkopf ein Austreten des Wassers verhindern.
außerhalb des Schluckbrunnens aus dem Boden quillt. Wenn der Förderbrunnen eine ausreichende Ergiebigkeit hat, die Aufnahmefähigkeit des Schluckbrunnens jedoch nicht ausreicht, bleibt zu überprüfen, ob das Wasser ggf. in einen Graben eingeleitet werden kann bzw. darf. Dies muss mit der zuständigen Behörde abgestimmt werden.
Weil das Wasser nahezu eisen- und manganfrei sein muss, sollte der Brunnen nur so tief wie Wichtig nötig – nicht so tief wie möglich – gebohrt werden!
Je tiefer der Brunnen gebohrt wird, desto größer ist in der Regel die Wahrscheinlichkeit, dass das Wasser eisen- und/oder manganhaltig und somit für den Betrieb einer Wärmepumpe ungeeignet ist. Dies gilt insbesondere, wenn Tonschichten durchbohrt werden.
Hinsichtlich der Wasserqualität ist es oftmals hilfreich, benachbarte Brunnen
(am besten Beregnungsbrunnen) auf Eisen und Mangan untersuchen zu lassen.
Oftmals kann daraus abgeleitet werden, dass bei gleicher Tiefe ein in unmittelbarer Nähe erstellter Brunnen eine vergleichbare Wasserqualität aufweist. Sind alle geologischen Bedingungen, d. h.
Ergiebigkeit, Aufnahmefähigkeit sowie Eisen- und Manganfreiheit erfüllt, ist eine Wasser-Wasser- Wärmepumpe zu empfehlen.
Saug- und Schluckbrunnen
Saug- und Schluckbrunnen werden in einem Abstand von ca. 15 m installiert.
Der Förder- und der Schluckbrunnen werden von einem Brunnenbauer
erstellt. Diese sind so zu erstellen, dass langfristig und bei Dauerbetrieb die geforderte Förder- und insbesondere die Aufnahmeleistung gewährleistet ist. Oftmals hat der Schluckbrunnen eine längere Filterstrecke als der Förderbrunnen. Die Förder- und Aufnahmeleistung bezieht sich
auf die eingesetzten Unterwasserpumpen.
Für die Dimensionierung der Brunnen ist der Brunnenbauer zuständig.
Hier nochmals ein paar Punkte, die zu beachten sind:
- kf-Wert (Durchlässigkeit) – Je geringer die Durchlässigkeit ist, desto
länger muss die Filterstrecke sein; ggf. kann auch der Bohrdurchmesser (nicht der Rohrdurchmesser) größer gewählt werden. - Grundwasserstände, insbesondere damit der Schluckbrunnen nicht
überläuft. Trennung der verschiedenen Grundwasserleiter durch Tonsperren. - Abschluss der Brunnen mit speziellen Brunnenköpfen.
- Brunnenstube aus Betonringen (oder anderes), damit jederzeit ein Zugang zu den Brunnen gegeben ist.
- Ein ausreichendes Grundwasservorkommen in einer Tiefe von maximal 15 m ist sicherzustellen.
- Die maximal entnehmbare Wassermenge und die Qualität des Grundwassers sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung .
- Der Saugbrunnen für die Entnahme des Wassers muss in der Fließrichtung des Grundwassers vor dem Schluckbrunnen angeordnet sein.
Wärmetauscher leicht aufzuschrauben, um ihn zu reinigen, evtl. schadhafte Platten zu tauschen und wieder zusammenzubauen, ohne in den Kältekreis der Wärmepumpe eingreifen zu müssen.
Der Schlupf von 3 K (Temperaturverlust über den Zwischenwärmetauscher) ist zu berücksichtigen.
Saug- und Schluckbrunnen werden in einem Abstand von ca. 15 m installiert. Der Saugbrunnen für die Entnahme des Wassers muss in der Fließrichtung des Grundwassers vor dem Schluckbrunnen angeordnet sein.
