Untersuchung der verschiedenen Kollektoren-, Sondentypen zur Wärmeaufnahme in Brunnen bzw. im Erdreich

Beschreibung des allgemeinen Funktionsprinzips Kollektoren-Sondentypen für eine Wärmepumpentechnik

Die Wärmepumpe „lebt“ von der gesamten Quellenleistung einer Erdsonde (Speichersonde) dem Energiespeicher- und kontaktierten Massevolumen je m³. Die Quellenleistung einer Erdsonden- bzw. Kollektoranlage wird entscheidend durch folgende Faktoren beeinflusst: Temperaturveränderungen, Wärmefluss pro Meter Rohrlänge, Wärmeleitfähigkeit, Entfernung vom Rohrmittelpunkt, laminare oder turbulente Strömung, Zeit, Temperaturleitfähigkeit sowie die Viskosität des Wärmeträgermittels.

Das Frostschutzmittel/Soleflüssigkeit wird zum Verdampfer der Wärmepumpe gepumpt. Der Verdampfer der Wärmepumpe nutzt den ankommenden Soleflüssigkeit/Wärmestrom aus der Erdsonde (Speichersonde), um auf der kältetechnischen Seite ein Kältemittel zu verdampfen. Dabei wird der Soleflüssigkeit einer Temperatur entzogen.

Der Rücklauf vom Verdampfer ist also kälter als der Vorlauf der Soleleitung. Die kalte Soleflüssigkeit wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe zurück in den Rücklauf der Erdsondenanlage gepumpt. Dabei nimmt die Soleflüssigkeit die Umgebungswärme vom Erdreich auf und der Kreislauf beginnt vom Neuen.

Erdsonden (Speichersonden) werden in der Regel oberflächennah z.B. – 50 – 150 m tief in vorgefertigte Bohrungen installiert – eingebaut um eine Durchschnittstemperatur vom Erdreich von ca. + 10 -11°C°C zu nutzen. Mit Hilfe einer Umwälzpumpe zirkuliert ein Frostschutzmittel in den Erdsonden, um ein Gefrieren der Soleflüssigkeit zu verhindern.

Venturi-Edelstahl-Sonde (Speichersonde)

Die Venturi-Edelstahl-Sonde kann dort eingesetzt werden, wo Grundwasser im sogenannten ersten Wasserleiter vorhanden ist. Das ist die oberste Grundwasserschicht, die noch nicht zur Trinkwassergewinnung genutzt wird. Die Sonde bildet den Wärmetauscher und nutzt die Grundwassertemperatur. Die Temperaturdifferenz zwischen einfließendem und zurückfließendem Wärmeträgermittel reicht aus, um bis zu 75 % der Energie zu liefern, die z. B. zur Heizenergieerzeugung benötigt wird. Die übrigen rund  25 % müssen in der Regel als Elektrizität zugeführt werden, um die Wärmepumpe anzutreiben. Wie viele solcher Sonden (Speichersonden), die es in unterschiedlichen Längen gibt, erforderlich sind, um ausreichend Wärmeenergie für das zu beheizende Objekt zu liefern, und welches Medium am besten als die Wärme aufnehmende Flüssigkeit (Fluid)  geeignet ist, muss im Einzelfall ermittelt werden.

Die notwendige Bohrtiefe ist um etwa 50 % geringer als bei Geothermie-Anlagen mit vergleichbarer Leistung.

Die Venturi-Edelstahl-Sonde erreicht ihre hohe Effizienz durch den Werkstoff Edelstahl, der eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, und durch den inneren Aufbau der Sonde, der eine schnelle Aufnahme der dem Grundwasser entnommenen Wärme ermöglicht. Denn die Edelstahl-Sonde besteht nicht aus einem leeren Rohr: Im Inneren befindet sich eine starre archimedische Schraube mit einem koaxial angeordneten zweiten Rohr. Durch dieses innere Rohr wird das Fluid in die Venturi-Sonde hineingepumpt. Der Außendurchmesser der archimedischen Schraube ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des äußeren Rohres. Dadurch strömt ein Teil des zurückfließenden Fluids mit höherer Geschwindigkeit (Venturi-Effekt) an der Rohrwand entlang und wird durch Verwirbelung mit der langsamer strömenden Flüssigkeit im Innenbereich der Schraube vermischt. Diese Durchmischung bewirkt den schnellen Wärmetransport von der Wand auf den gesamten Strömungsquerschnitt.

Die Venturi-Edelstahl-Sonde bildet das Herzstück einer modernen, umweltfreundlichen Wärmeerzeugung, deren Hauptenergiequelle erneuerbare Wärmeenergie aus dem oberflächennahen Wasser ist. Innerhalb eines Jahreszyklus wird die dem Boden entnommene Energie durch die Sonneneinstrahlung und Versickerung von Regenwasser wieder ausgeglichen.