Funktionsprinzip des Geo-HEP-Hochleistungsenergiepfahls
Das Geo-HEP-System nutzt die über das Jahr vergleichsweise konstanten Temperaturen des Untergrunds zum Kühlen und Heizen. Gleichzeitig verbindet es den Wärmeaustausch mit dem Untergrund mit einer thermischen Pufferung innerhalb der Hochleistungsenergiepfähle.
Eine Geo-HEP-Anlage wird immer projektspezifisch ausgelegt. Abhängig von Energiebedarf, Anwendung und Standortbedingungen kann sie aus einem oder mehreren Hochleistungsenergiepfählen sowie der dazugehörigen Anlagen-, Pumpen-, Mess-, Steuer- und Regeltechnik bestehen.
Das technische Grundprinzip lässt sich am besten an einem einzelnen Hochleistungsenergiepfahl erklären. Er ist ein zentrales Funktionselement des Systems und verbindet den Wärmeaustausch mit dem Untergrund mit einer großen integrierten thermischen Speichermasse.
Wärme aufnehmen, puffern und an den Untergrund abgeben
Im Geo-HEP-System zirkuliert ein Wärmeträgermedium in einem geschlossenen Kreislauf zwischen der jeweiligen Anwendung und den Hochleistungsenergiepfählen.
Beim Kühlen nimmt das Wärmeträgermedium überschüssige Wärme beispielsweise aus einem Gebäude, einer Maschine oder einem technischen Prozess auf und transportiert sie zum Geo-HEP-System.
Im Hochleistungsenergiepfahl wird die Wärme über das Wärmeübertragungssystem zunächst an die integrierte thermische Speichermasse übertragen. Vorzugsweise stehen dafür rund 43 m³ Wasser zur Verfügung.
Diese große Wassermasse kann thermische Energie aufnehmen und insbesondere kurzfristig auftretende Lastspitzen puffern. Die Wärme wird anschließend über die Pfahlwand an den umgebenden Untergrund beziehungsweise das Gebirge abgegeben.
Der Hochleistungsenergiepfahl übernimmt damit zwei eng miteinander verbundene Aufgaben:
- Aufnahme und Pufferung thermischer Lasten innerhalb des Pfahls
- großflächiger Wärmeaustausch mit dem umgebenden Untergrund
Die Wassermasse innerhalb des Hochleistungsenergiepfahls ist dabei nicht als eigenständiger saisonaler Langzeitspeicher zu verstehen. Sie ist Bestandteil des Wärmeübertragungs- und Puffersystems des HEP.
Passive Kühlung ohne dauerhaft arbeitende Kältemaschine
Eine besondere Anwendung des Geo-HEP-Systems ist die passive Kühlung.
Wie effizient die passive Kühlung an einem konkreten Standort arbeitet, hängt unter anderem von den benötigten Temperaturen, dem Lastprofil, dem Aufbau des Untergrunds und den Grundwasserverhältnissen ab.
Unter geeigneten Bedingungen kann überschüssige Wärme aus Gebäuden, Produktionsanlagen oder technischen Prozessen über das Geo-HEP-System direkt an den Untergrund abgegeben werden.
Eine dauerhaft arbeitende klassische Kältemaschine beziehungsweise ein kontinuierlich betriebener Kompressor ist dann nicht erforderlich.
Elektrische Energie wird im Wesentlichen für die Umwälzpumpen sowie für die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik benötigt.
Welche Rolle spielt der Untergrund?
Der Untergrund ist ein wesentlicher Bestandteil des thermischen Gesamtsystems.
Entscheidend ist nicht eine bestimmte Boden- oder Gesteinsart, sondern die Fähigkeit des Untergrunds, Wärme aufzunehmen, weiterzuleiten und wieder abzugeben.
Bei der Planung werden deshalb unter anderem untersucht:
- Aufbau und Schichtung des Untergrunds
- Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeichervermögen
- Festigkeit und Bohrbarkeit
- Grundwasserverhältnisse
- zulässige Bohrtiefe
- Abstände zu Gebäuden und Leitungen
Auf dieser Grundlage wird ermittelt, welche Leistung an einem Standort erreichbar ist und wie viele Hochleistungsenergiepfähle für das jeweilige Projekt benötigt werden.
Grundwasser kann die Wärmeabfuhr unterstützen
Vorhandenes und insbesondere bewegtes Grundwasser kann die Leistungsfähigkeit des Geo-HEP-Systems bei der Wärmeabfuhr unterstützen.
Bewegtes Grundwasser transportiert die in den Untergrund eingebrachte Wärme kontinuierlich weiter. Dadurch wird der Bereich rund um die Hochleistungsenergiepfähle thermisch regeneriert und ein Wärmestau im Gebirge reduziert.
Das Geo-HEP-System arbeitet dabei als geschlossenes Wärmeaustauschsystem. Das Grundwasser wird weder gefördert noch ist es Bestandteil des Anlagenkreislaufs. Es wirkt ausschließlich als natürlicher Wärmetransporteur im Untergrund.
Für die Auslegung werden unter anderem folgende hydrogeologische Parameter betrachtet:
- Fließgeschwindigkeit des Grundwassers
- Fließrichtung
- Mächtigkeit wasserführender Schichten
- Durchlässigkeit des Gebirges
- Grundwasserstand und jahreszeitliche Schwankungen
Diese Standortparameter beeinflussen die erreichbare Kühlleistung, die Anzahl der benötigten Hochleistungsenergiepfähle und die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems.
Heizen mit dem Geo-HEP-System
Der Hochleistungsenergiepfahl kann nicht nur zur Kühlung eingesetzt werden.
Im Heizbetrieb dient das Geo-HEP-System als Wärmequelle für eine Wärmepumpe. Diese hebt die zur Verfügung stehende Wärme auf das Temperaturniveau an, das für das Gebäude oder den jeweiligen technischen Prozess benötigt wird.
Dabei profitiert die Wärmepumpe von den über das Jahr vergleichsweise konstanten Temperaturen des Untergrunds.
So kann dieselbe geothermische Infrastruktur sowohl in Kühl- als auch in Heizkonzepte eingebunden werden.
Geo-HEP-Systems
Drei thermische Funktionen – ein System
01
Kühlen
Wärme wird aus einem Gebäude, einer Maschine oder einem technischen Prozess aufgenommen und über die Hochleistungsenergiepfähle an den Untergrund abgegeben.
02
Heizen
Das Geo-HEP-System dient als geothermische Wärmequelle. Eine Wärmepumpe hebt die vorhandene Wärme auf das benötigte Temperaturniveau an.
03
Thermische Lasten puffern
Die große Wassermasse innerhalb eines Hochleistungsenergiepfahls kann thermische Energie aufnehmen und kurzfristige Lastspitzen innerhalb des Systems puffern, bevor die Wärme weiter an den Untergrund übertragen wird.
Kühlen und Heizen im geothermischen Gesamtsystem verbinden
Besonders interessant ist das Geo-HEP-System bei Anwendungen, in denen über das Jahr sowohl Kühl- als auch Wärmebedarf besteht.
Während des Kühlbetriebs wird überschüssige Wärme aus Gebäuden oder technischen Prozessen aufgenommen, innerhalb des Hochleistungsenergiepfahls gepuffert und anschließend in den Untergrund eingebracht.
Im Heizbetrieb kann das Geo-HEP-System wiederum Wärme aus dem Untergrund als Wärmequelle für eine Wärmepumpe bereitstellen.
Je nach Anlagenkonzept kann somit Wärme, die während der Kühlperiode in den Untergrund eingebracht wurde, während der Heizperiode wieder thermisch genutzt werden.
Dabei ist eine wichtige Unterscheidung zu beachten:
Die rund 43 m³ Wasser innerhalb eines Hochleistungsenergiepfahls dienen vor allem als integrierte thermische Speichermasse zur Aufnahme und Pufferung von Lasten. Eine gezielte saisonale Langzeitspeicherung ist dagegen Gegenstand des eigenständigen Geo-HEP-Saisonalspeichers [LINK].
Jedes Geo-HEP-System wird individuell ausgelegt
Die Leistungsfähigkeit einer Geo-HEP-Anlage lässt sich nicht mit einem einzigen pauschalen Kennwert beschreiben.
Für die Planung werden unter anderem berücksichtigt:
- erforderliche Heiz- und Kühlleistung
- zeitlicher Verlauf der Wärme- und Kältelasten
- benötigte Temperaturniveaus
- vorhandene Anlagentechnik
- geologische und hydrogeologische Bedingungen
- zulässige Bohrtiefe
- verfügbare Fläche
Aus diesen Daten ergibt sich die erforderliche Anlagenkonfiguration und damit auch die Anzahl der benötigten Hochleistungsenergiepfähle.
Ist das Geo-HEP-System für Ihr Projekt geeignet?
Ob Geo-HEP für eine neue Anlage, eine Modernisierung oder einen besonderen Kühl- und Wärmebedarf geeignet ist, wird anhand der technischen Anforderungen und der Standortbedingungen individuell geprüft.
Lassen Sie die Einsatzmöglichkeiten für Ihr Projekt bewerten.