VDI 4640 Blatt 2-2001 Thermal use of the underground - Ground source heat pump systems.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREThermische Nutzung des UntergrundesErdgekoppelte WrmepumpenanlagenThermal use of the undergroundGround source heat pump systemsVDI 4640Blatt 2 / Part 2Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Gesellschaft EnergietechnikFachausschuss Regenerative Energien“ (FA-RE)VDI-Ha

2、ndbuch EnergietechnikVDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available from Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2001Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not per

3、mittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 27.080 September 2001The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Inhalt SeiteVorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Geltungsb

4、ereich. . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Abkrzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Nutzung des Grundwassers mit Brunnenanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1 Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1.1 Hydraulische Parameter . . . . . . . 63.1.2 Hydrochemische Parameter . .

5、 . . . 73.2 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.2.1 Bohrarbeiten und Brunnenbau . . . . 83.2.2 Spezielle Anlagenteile . . . . . . . . 104 Nutzung des oberflchennahenUntergrundes mit Erdwrmekollektoren . . . 114.1 Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.2 Installation . . .

6、. . . . . . . . . . . . . . . 124.2.1 Verlegetiefe und -abstand. . . . . . . 124.2.2 Erdarbeiten . . . . . . . . . . . . . . 134.2.3 Anforderungen an die verwendetenMaterialien . . . . . . . . . . . . . . 134.2.4 Verlegung der Leitungen . . . . . . . 134.2.5 Druckabsicherung . . . . . . . . . . 144.

7、2.6 Fllen und Entlften . . . . . . . . . 144.2.7 Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . 145 Nutzung des Untergrundes mitErdwrmesonden . . . . . . . . . . . . . . . . 155.1 Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155.1.1 Kleinere Anlagen bis zu Heizleistungen von 30 kW, nur Wrmeentzug. . . . .

8、. . . . . . 165.1.2 Grere Anlagen (30 kW Heizleistung) . . . . . . . . . . . . . 19Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Abbreviations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Use of the groundwater with well syste

9、ms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1 Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1.1 Hydraulic parameters . . . . . . . . . 63.1.2 Hydro-chemical parameters . . . . . . 73.2 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.2.1 Drilling and well construction. . . . . 83.2.2 Special c

10、omponents . . . . . . . . . . 104 Use of the shallow underground using horizontal ground heat exchangers(horizontal loops) . . . . . . . . . . . . . . . . 114.1 Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.2 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.2.1 Loop depth and distance. . .

11、 . . . . . 124.2.2 Earthworks. . . . . . . . . . . . . . . 134.2.3 Required properties of thematerials used . . . . . . . . . . . . . 134.2.4 Laying the pipes . . . . . . . . . . . . 134.2.5 Securing pressure . . . . . . . . . . . 144.2.6 Filling and de-aeration. . . . . . . . . 144.2.7 Commissionin

12、g . . . . . . . . . . . . 145 Use of the underground with borehole heat exchangers (vertical loops) . . . . . . . . 155.1 Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155.1.1 Small systems up toheating capacity of 30 kW, only heating . . . . . . . . . . . . . . 165.1.2 Larger systems ( 30 kW heat

13、ing capacity) . . . . . . . . . . . . . . . . 19Frhere Ausgabe: 2.98 Entwurf,deutschFormer edition: 2/98 draft, in German onlyB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2001 2 VDI 4640 Blatt 2 / Part 2Seite5.2 Instal

14、lation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.2.1 Bohrarbeiten . . . . . . . . . . . . . 215.2.2 Herstellung und Prfung vonErdwrmesonden . . . . . . . . . . . 225.2.3 Einbau Erdwrmesonden undVerfllung . . . . . . . . . . . . . . 235.2.4 Verlegung der Leitungen . . . . . . . 275.2.5 Druckabsicherung

15、 . . . . . . . . . . 275.2.6 Fllen und Entlften . . . . . . . . . 285.2.7 Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . 286 Besonderheiten von Anlagen mitDirektverdampfung . . . . . . . . . . . . . . . 286.1 Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286.2 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . .

16、. 296.2.1 Materialanforderungen . . . . . . . . 296.2.2 Verlegung . . . . . . . . . . . . . . . 296.2.3 Verteiler. . . . . . . . . . . . . . . . 296.2.4 Zustzliche Sicherheitsorgane . . . . 306.2.5 Befllung . . . . . . . . . . . . . . . 306.3 Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . 307 Besonderhe

17、iten weiterer Wrmequellen(-senken)anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . 307.1 Grndungspfhle als Wrmebertrager(Energiepfhle“) . . . . . . . . . . . . . . 307.1.1 Auslegung . . . . . . . . . . . . . . 307.1.2 Fertigteilrammpfhle . . . . . . . . . 317.1.3 Ortbetonpfhle . . . . . . . . . . . . 327.1.4

18、 Anschluss von Energiepfhlen“. . . 327.2 Erdberhrte Betonbauteile als Wrmebertrager . . . . . . . . . . . . . . 327.3 Platzsparende, kompakte Erdwrmekollektoren . . . . . . . . . . . . 337.3.1 Grabenkollektor . . . . . . . . . . . 347.3.2 Spiralkollektor . . . . . . . . . . . . 347.4 Koaxialbrunnen

19、. . . . . . . . . . . . . . . 347.5 Gruben, Tunnels . . . . . . . . . . . . . . . 358 Systemeinbindung . . . . . . . . . . . . . . . 368.1 Verteiler und Sammler. . . . . . . . . . . . 368.2 Armaturen und Pumpen . . . . . . . . . . . 368.3 Anschlussleitungen zwischen Verteilerund Wrmepumpe . . . . .

20、. . . . . . . . . 368.4 Dimensionierung der Rohrleitungen undPumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369Wrmenutzungsanlage . . . . . . . . . . . . . 379.1 Heizsysteme, Pufferspeicher . . . . . . . . 379.1.1 Flchenheizung. . . . . . . . . . . . 379.1.2 Radiatoren und Konvektoren. . . . . 379.1.3

21、 Pufferspeicher . . . . . . . . . . . . 389.2 Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389.3 Trinkwassererwrmung . . . . . . . . . . . 38Page5.2 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.2.1 Drilling . . . . . . . . . . . . . . . . 215.2.2 Manufacturing and testing ofborehole heat ex

22、changers . . . . . . . 225.2.3 Installation of borehole heatexchangers and grouting . . . . . . . 235.2.4 Laying of connecting pipes . . . . . . 275.2.5. Securing the pressure . . . . . . . . . 275.2.6 Filling and de-aeration . . . . . . . . 285.2.7 Commissioning . . . . . . . . . . . . 286 Special

23、features of systems withdirect evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . 286.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286.2 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296.2.1 Material requirements . . . . . . . . . 296.2.2 Installation. . . . . . . . . . . . . . . 296.2.3 Manifold. .

24、 . . . . . . . . . . . . . . 296.2.4 Additional safety devices . . . . . . . 306.2.5 Filling . . . . . . . . . . . . . . . . . 306.3 Commissioning. . . . . . . . . . . . . . . . 307 Characteristics of other heat sources (sinks) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307.1 Foundation piles as

25、heat exchangers (”Energy piles“) . . . . . . . . . . . . . . . 307.1.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . 307.1.2 Prefabricated driven piles . . . . . . . 317.1.3 In-situ concrete piles . . . . . . . . . 327.1.4 Connecting of ”Energy piles“. . . . . 327.2 Concrete elements touching the earth a

26、sheat exchangers. . . . . . . . . . . . . . . . 327.3 Space saving, compact horizontal ground heat exchangers . . . . . . . . . . . 337.3.1 Trench collectors . . . . . . . . . . . 347.3.2 Spiral collectors . . . . . . . . . . . . 347.4 Coaxial wells . . . . . . . . . . . . . . . . . 347.5 Pits, tunn

27、els. . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 Incorporating the system . . . . . . . . . . . . 368.1 Manifolds and collectors . . . . . . . . . . . 368.2 Fittings and pumps . . . . . . . . . . . . . . 368.3 Connecting pipes between the manifoldsand heat pump . . . . . . . . . . . . . . . . 368.4 Dimens

28、ioning of pipes and pumps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Heat usage systems . . . . . . . . . . . . . . . 379.1 Heating systems, buffer storage . . . . . . . 379.1.1 Panel heating . . . . . . . . . . . . . 379.1.2 Radiators and convectors . . . . . . . 379.1.3 Buffer storage . . . . .

29、. . . . . . . . 389.2 Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389.3 Domestic hot water. . . . . . . . . . . . . . 38B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2001 VDI 4640 Blatt 2 / Part 2 3 Seite10 Rckb

30、au erdgekoppelterWrmepumpenanlagen . . . . . . . . . . . . 3910.1 Rckbau der Wrmepumpe . . . . . . . . 3910.2 Rckbau der Wrmequellenanlage . . . . 3910.2.1 Rckbau von Grundwasserbrunnen 3910.2.2 Rckbau von Erdwrmekollektoren. . . . . . . . 3910.2.3 Rckbau von Erdwrmesonden . . . . . . . . . . 40Anha

31、ng A Zugehrige Normen, Richtlinien,Vorschriften usw. . . . . . . . . . . . . 41VorbemerkungenDer Untergrund kann als Wrmequelle, Kltequelleund thermischer Energiespeicher genutzt werden. Erist wegen des groen erschliebaren Volumens unddes gleichmigen Temperaturniveaus fr viele An-wendungen im Nieder

32、temperaturbereich gut geeig-net.Umwelt- und Erdwrme aus dem Untergrund werdenber horizontale bzw. vertikale Erdreichwrmeber-trager oder durch Abpumpen von Grundwasser ge-wonnen und (meist ber Wrmepumpen) zum Heizeneingesetzt. Derartige Wrmepumpen-Anlagen kn-nen neben der Beheizung auch fr die Raumkh

33、lungverwendet werden. In einigen Anlagen wird bereitsdirekte Khlung aus dem Untergrund ohne Einsatzder Wrmepumpe im Sommer betrieben.Erdgekoppelte Wrmepumpen haben in Nord-amerika und in Europa eine groe Verbreitung er-langt. Sie stoen in Deutschland auf groes Interesse.Grund dafr ist, dass die Wrme

34、pumpe bezglich desPrimrenergiebedarfs beim gegenwrtigen Stand derTechnik mit realisierbaren Einsparungen von 30 bis45 % gegenber dem lkessel und 20 bis 35 % imVergleich zum Gasbrennwertkessel die effizientereTechnik darstellt. Des Weiteren entstehen durch denEinsatz der Elektro-Wrmepumpen im Gegensa

35、tz zurl- und Gasheizung die Schadstoffemissionen nichtvor Ort, sondern im Wesentlichen in modernen, mitaufwendigen Abgasreinigungsanlagen ausgerstetenKraftwerken. Dadurch wird ein wesentlicher Beitragzur Senkung der Immissionen in dicht bebautenWohngebieten geleistet.Der Untergrund kann auch als the

36、rmischer Speicherzur Heizung bzw. Khlung dienen. Wrme aus rege-nerativen Quellen (Solarthermie, Erdwrme und hn-liche) oder Abwrme, die ansonsten verloren gehenwrde, kann gespeichert und spter verwendet wer-den. Das Gleiche ist auch mit Umweltklte mglich,die fr Khlanwendungen gespeichert werden kann.

37、Page10 Dismantling ground source heatpump systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 3910.1 Dismantling the heat pump . . . . . . . . . 3910.2 Dismantling the heat source system . . . . 3910.2.1 Dismantling groundwater wells . . . 3910.2.2 Dismantling horizontal groundheat exchangers . . . . . . . .

38、. . . 3910.2.3 Dismantling borehole heat exchangers . . . . . . . . . . . . . . 40Annex A Associated standards, guidelines,regulations, etc. . . . . . . . . . . . . . . 41Preliminary noteThe underground can be used as a heat source, coldsource and thermal reservoir. It is well suited formany applica

39、tions in the low-temperature range dueto the available large volume and the constant tem-perature level.Environmental and geothermal energy from the un-derground is obtained via horizontal and verticalground heat exchangers or by pumping groundwaterand (mostly via heat pumps) used for heating. Apart

40、from heating, such heat pump systems can also beused for space cooling. In some plants, direct coolingfrom the underground is already used in summerwithout using the heat pump.Ground source heat pumps have widespread in NorthAmerica and Europe. In Germany, they are met withgreat interest. The reason

41、 for this is probably because,with current state of the art, the heat pumps representthe more efficient technology with respect to primaryenergy requirements with savings of 30 to 35 % com-pared the oil-heated boiler and 20 to 35 % comparedto the gas condensing boilers. Furthermore, differ-ently fro

42、m oil and gas heating, through the use ofelectrical heat pumps the pollutant emissions do notoccur in situ but mostly in modern power stationsequipped with costly exhaust gas cleaning plants.Therefore, an important contribution is made to thereduction of emissions in densely populated residen-tial a

43、reas.The underground can also be used as a thermal reser-voir for heating and cooling. Heat from renewablesources (solar or geothermal energy, etc.), whichwould otherwise be lost, can be stored and used later.The same is also true of environmental cold, whichcan be stored for cooling applications. F

44、inally, bufferor redundancy storage systems are also possible inB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2001 4 VDI 4640 Blatt 2 / Part 2Schlielich sind auch Puffer- oder Redundanz-speicher in der Fernwrmeversorgun

45、g oder frIndustrieprozesse mglich. Unterirdische thermischeEnergiespeicherung eignet sich besonders fr dieSpeicherung grerer Wrme- oder Kltemengenber lngere Zeitrume.Die Richtlinie wendet sich an planende und ausfh-rende Unternehmen, an Komponenten-Hersteller(z.B. fr Wrmepumpen, Rohrleitungen, Wrme-

46、dmmmaterialien usw.), an Genehmigungsbehrden,an Energieberater und an Fachausbilder. Ihr Ziel istes, vom erreichten Stand der Technik ausgehend, einekorrekte Auslegung, geeignete Materialwahl undrichtige Ausfhrung von Bohrungen, Installation undSystemeinbindung von Anlagen zur thermischenNutzung des

47、 Untergrundes sicherzustellen. Damitknnen wirtschaftlich und technisch zufriedenstel-lende Anlagen gewhrleistet werden, die auch beilangfristigem Betrieb strungsfrei und ohne Umwelt-beeintrchtigung arbeiten.Die Richtlinie VDI 4640 besteht aus vier Blttern:Blatt 1 Grundlagen, Genehmigungen,Umweltaspe

48、kteBlatt 2 Erdgekoppelte WrmepumpenanlagenBlatt 3 Unterirdische thermische EnergiespeicherBlatt 4 Direkte Nutzungen1 GeltungsbereichDie Richtlinie VDI 4640 bezieht sich auf die thermi-sche Nutzung des Untergrundes bis etwa 400 MeterTiefe. Folgende Anwendungsflle werden in derRichtlinie behandelt:Erd

49、gekoppelte Wrmepumpenanlagen (es wird im vorliegenden Blatt 2 behandelt)a) Wrmepumpenanlagen zum Heizenb) Wrmepumpenanlagen zum Heizen und KhlenAnmerkung: Beim Khlbetrieb kann die Khlung ber dieWrmepumpe und/oder direkt aus dem Untergrund unter Um-gehung der Wrmepumpe erfolgen.c) Kltemaschinen zum KhlenEs kommen Erdreichwrmebertrager oder direktdas Grundwasser als Wrmetrger zum Einsatz:Als Erdreichwrmebertrag