VEREIN DEUTSCHERINGENIEURE

Thermische Nutzung des Untergrundes Direkte Nutzungen

Thermal use of the underground Direct uses

VDI 4640Blatt 4 / Part 4

Ausg. deutsch/englischIssue German/English

VDI-Gesellschaft Energietechnik Fachauschuss Regenerative Energien (FA-RE)

VDI-Handbuch Energietechnik

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edDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.

ICS 27.080 September 2004

The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.

Inhalt Seite

Vorbemerkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1 Geltungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Abkrzungen und Definitionen . . . . . . . . 4

2.1 Abkrzungen . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Formelzeichen und Indizes . . . . . . . . 52.3 Definitionen fr Luft-Erdwrmetauscher . 5

3 Direkte thermische Nutzung des Grundwassers . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1 Systembeschreibung. . . . . . . . . . . . 63.2 Umwelteinfluss und besondere wasser-

wirtschaftliche und wasserrechtliche Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.2.1 Umweltauswirkungen. . . . . . . . 83.2.2 Wasserwirtschaftliche Zielsetzungen. 93.2.3 Wasserrechtliche Aspekte . . . . . 10

3.3 Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.3.1 Hydraulische Parameter . . . . . . 103.3.2 Hydrochemische Parameter. . . . . 113.3.3 Installation . . . . . . . . . . . . . 113.3.4 Rckbau. . . . . . . . . . . . . . . 12

4 Direkte thermische Nutzung des Untergrunds mit Erdwrmesonden, Energiepfhlen etc. . . 124.1 Systembeschreibung. . . . . . . . . . . . 124.2 Umweltaspekte und wasserrechtliche

Fragestellungen . . . . . . . . . . . . . . 144.3 Bau und Installation inklusive Rckbau. . 14

5 Lufterwrmung/-khlung im Untergrund . . . 165.1 Systembeschreibung. . . . . . . . . . . . 175.2 Umweltaspekte . . . . . . . . . . . . . . 185.3 Lufthygiene . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Contents Page

Preliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Abbreviations and definitions . . . . . . . . . 4

2.1 Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Symbols and subscripts . . . . . . . . . . 52.3 Definitions for earth-air heat exchangers . 5

3 Direct thermal use of ground water . . . . . . 6

3.1 System description . . . . . . . . . . . . . 63.2 Environmental influence and special

aspects relating to water management and water legislation . . . . . . . . . . . . 83.2.1 Environmental effects . . . . . . . . 83.2.2 Water management objectives. . . . 93.2.3 Water legislation aspects . . . . . 10

3.3 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.3.1 Hydraulic parameters . . . . . . . 103.3.2 Hydrochemical parameters . . . . 113.3.3 Installation . . . . . . . . . . . . . 113.3.4 Dismantling . . . . . . . . . . . . 12

4 Direct thermal use of the underground with borehole heat exchangers, energy piles, etc. 124.1 System description . . . . . . . . . . . . 124.2 Environmental aspects and questions

relating to water legislation . . . . . . . 144.3 Construction and installation including

dismantling . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5 Air heating or cooling in the underground . 165.1 System description . . . . . . . . . . . . 175.2 Environmental aspects . . . . . . . . . . 185.3 Air hygiene . . . . . . . . . . . . . . . . 20

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All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 2 VDI 4640 Blatt 4 / Part 4

5.4 Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.4.1 Grundlagen der Auslegung. . . . . 245.4.2 Auslegung kleiner Anlagen fr

Wohngebude bei Volumen-strmen bis 1000 m3/h . . . . . . . 28

5.4.3 Auslegung groer Anlagen fr Volumenstrme grer 1000 m3/h . 31

5.5 Installation, Materialauswahl, Rckbau . 32

5.5.1 Installation . . . . . . . . . . . . . 325.5.2 Material. . . . . . . . . . . . . . . 335.5.3 Rckbau . . . . . . . . . . . . . . 34

5.6 Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.7 Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . 36

5.7.1 Wirtschaftliche Berechnungen . . . 365.7.2 Verbrauchsgebundene Kosten . . . 375.7.3 Kapitalkosten/Investitionskosten. . 375.7.4 Wartungskosten . . . . . . . . . . 38

Anhang Zugehrige Normen, Richtlinien, Vorschriften usw. . . . . . . . . . . . 39

5.4 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.4.1 Fundamentals of design . . . . . . . 245.4.2 Design of small plants for

residential buildings with flow rates up to 1000 m3/h . . . . . . . . 28

5.4.3 Design of large plants for flow rates over 1000 m3/h . . . . . . . . 31

5.5 Installation, selection of materials, dismantling . . . . . . . . . . . . . . . . 325.5.1 Installation . . . . . . . . . . . . . 325.5.2 Material . . . . . . . . . . . . . . . 335.5.3 Dismantling . . . . . . . . . . . . . 34

5.6 Control strategies . . . . . . . . . . . . . 345.7 Economic efficiency . . . . . . . . . . . . 36

5.7.1 Economic calculations . . . . . . . 365.7.2 Operational costs . . . . . . . . . . 375.7.3 Capital costs and investment costs . 375.7.4 Maintenance costs. . . . . . . . . . 38

Annex Associated standards, guidelines, regulations, etc. . . . . . . . . . . . . 39

VorbemerkungDer Untergrund kann als Wrmequelle, Kltequelleund thermischer Energiespeicher genutzt werden. Erist wegen des groen erschliebaren Volumens unddes gleichmigen Temperaturniveaus fr viele An-wendungen im Niedertemperaturbereich gut geeignet.

Umwelt- und Erdwrme aus dem Untergrund wirdber horizontale bzw. vertikale Erdreichwrme-bertrager oder durch Abpumpen von Grundwassergewonnen und (meist ber Wrmepumpen) zum Hei-zen eingesetzt. Derartige Wrmepumpen-Anlagenknnen neben der Beheizung auch fr die Raum-khlung verwendet werden. In einigen Anlagen wirdbereits direkte Khlung aus dem Untergrund ohneEinsatz der Wrmepumpe im Sommer betrieben.Erdgekoppelte Wrmepumpen haben in Nordame-rika und in Europa eine groe Verbreitung erfahren.Sie stoen in Deutschland auf groes Interesse.Grnde dafr sind sicherlich, dass die Wrmepumpebezglich des Primrenergiebedarfs beim gegenwr-tigen Stand der Technik mit realisierbaren Einsparun-gen von 30 % bis 45 % gegenber dem lkessel und20 % bis 35 % im Vergleich zum Gasbrennwertkesseldie effizientere Technik darstellt. Des Weiteren ent-stehen durch den Einsatz der Elektro-Wrmepumpenim Gegensatz zur l- und Gasheizung die Schadstoff-emissionen nicht vor Ort, sondern im Wesentlichen inmodernen, mit aufwndigen Abgasreinigungsanla-gen ausgersteten Kraftwerken. Dadurch wird einwesentlicher Beitrag zur Senkung der Immissionenin dicht bebauten Wohngebieten geleistet.

Preliminary noteThe subsurface zone can be used as a source of heator cold, and it can also be used for the storage of ther-mal energy. Because of the large volume of spaceavailable for development and also because of theuniform temperature level, this zone is well suited formany applications in the low-temperature range.Environmental heat and ground heat is extracted fromthe subsurface by means of horizontally or verticallyarranged geothermal heat exchanger systems or bypumping up groundwater and is used for heating pur-poses (most often via heat pumps). In addition tospace heating, such heat pump systems can also beused to cool down spaces. Some systems already pro-vide direct cooling from the ground in the summermonths without using a heat pump.Ground-coupled heat pumps are in wide use in NorthAmerica and Europe. They are attracting great inter-est in Germany. The reasons for this are clear: Giventhe present state of the art, in terms of the primary en-ergy requirement the heat pump is the more efficienttechnology it can operate 30 % to 45 % more cheaplythan an oil-fired boiler and 20 % to 35 % morecheaply than a gas-fired boiler. In addition, in con-trast to oil and gas-fired systems, the use of electric-powered heat pumps does not generate the emissionof pollutants on site but mainly in modern powerplants which are equipped with sophisticated wastegas cleaning facilities. This makes a significant con-tribution to the reduction of immissions in heavilybuilt-up areas.

Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 VDI 4640 Blatt 4 / Part 4 3

Der Untergrund kann auch als thermischer Speicherzur Heizung bzw. Khlung dienen. Wrme aus rege-nerativen Quellen (Sonne, Erdwrme und hnliches)oder Abwrme, die ansonsten verloren gehen wrde,kann gespeichert und spter verwendet werden. Dasgleiche ist auch mit Umweltklte mglich, die frKhlanwendungen gespeichert werden kann. Schlie-lich sind auch Puffer- oder Redundanzspeicher in derFernwrmeversorgung oder fr Industrieprozesse mg-lich. Unterirdische thermische Energiespeicherungeignet sich besonders fr die Speicherung grererWrme- oder Kltemengen ber lngere Zeitrume.Die Richtlinie wendet sich an planende und ausfh-rende Unternehmen, an Komponenten-Hersteller(z. B. fr Wrmepumpen, Rohrleitungen, Wrme-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 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 Definitionen, Genehmigungen, Umweltas-

pekteBlatt 2 Erdgekoppelte WrmepumpenanlagenBlatt 3 Unterirdische thermische Energiespeicher

Blatt 4 Direkte Nutzungen

1 GeltungsbereichDie Richtlinie VDI 4640 bezieht sich auf die thermi-sche Nutzung des Untergrundes bis etwa 400 mTiefe. Folgende Anwendungsflle werden in derRichtlinie behandelt:

Erdgekoppelte Wrmepumpenanlagen (siehe Blatt 2) a) Wrmepumpenanlagen zum Heizenb) Wrmepumpenanlagen zum Heizen und Khlen

Anmerkung: Im Khlbetrieb kann die Khlung ber die Wrme-pumpe und/oder direkt aus dem Untergrund unter Umgehung derWrmepumpe erfolgen.

c) Kltemaschinen zum Khlen

The ground can also be used as a thermal storagezone for heating or cooling. Heat from regenerativesources (sun, geothermal energy, and similar) orwaste heat which would otherwise be lost, can bestored and used at a later time. The same can also bedone with environmental cold which can be stored forcooling purposes. Finally, it is also possible to createbuffer or redundant storage capacity in district heat-ing systems or for industrial processes. Undergroundthermal energy storage is particularly suitable forstoring large quantities of heat and cold over long pe-riods of time. The guideline is intended for planning and construc-tion firms, manufacturers of components (e. g. forheat pumps, piping, thermal insulation materials,etc), licensing authorities, energy consultants and forpersons providing instruction/training in this field.Proceeding from the current state of the art, the goalof the guideline is to ensure correct design, suitablechoice of materials, and correct production of bore-holes for Underground Thermal Energy Storage(UTES) systems as well as their proper installationand incorporation into energy supply facilities. Thiswill ensure that these systems operate trouble-free inan economically and technically satisfactory manner,also over long periods of time, without having a neg-ative impact on the environment.Guideline VDI 4640 consists of four parts: Part 1 Definitions, licenses, environmental aspects

Part 2 Ground-coupled heat pump systemsPart 3 Underground Thermal Energy Storage

(UTES) Part 4 Direct uses

1 ScopeGuideline VDI 4640 relates to the thermal use of thesubsurface down to a depth of approx. 400 m. Thefollowing applications are dealt with in the guideline:

Ground-coupled heat pump systems (see Part 2)a) Heat pump systems for heating purposesb) Heat pump systems for heating and cooling pur-

posesNote: In cooling mode, the cooling can be accomplished via theheat pump and/or directly from the subsurface, thus bypassing theheat pump

c) Chilling equipment for cooling purposes

All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 4 VDI 4640 Blatt 4 / Part 4

Es kommen Erdreichwrmebertrager oder direktdas Grundwasser (siehe Blatt 4) als Wrmetrgerzum Einsatz: Als Erdreichwrmebertrager sind Erdwrmekol-

lektoren, Erdwrmesonden und weitere spezielleErdreichwrmebertragerbauarten in Verwendung.

Das Grundwasser kann ber Brunnen aus Aquife-ren, aber auch aus Gruben oder der Entwsserungvon Tunnelbauwerken stammen.

Unterirdische thermische Energiespeicher (siehe Blatt 3) a) Speicher zum Heizen

Als Wrmequelle kommen zum Einsatz z. B. Solar-thermie, Abwrme, Umweltwrme.

b) Speicher zum Khlen (Kltequelle: Umweltklte)

c) Speicher zum Heizen und Khlen in Verbindung mit Wrmepumpen ohne Wrmepumpen mit Nutzung von Um-

weltklte/-wrmeEs kommen Erdreichwrmebertrager oder direktdas Grundwasser als Wrmetrger (Aquiferspeicher)zum Einsatz.

Direkte Nutzungen (siehe Blatt 4)Eine Wrmepumpe oder Klteaggregat wird hiernicht eingeschaltet: Khlung mit Grundwasser Heizung mit Grundwasser Lufterwrmung/-khlung im Untergrund

2 Abkrzungen und Definitionen

2.1 Abkrzungen AB Abluft vom RaumAU Auenluft (identisch Umgebungsluft)FO FortluftL-EWT Luft-ErdwrmetauscherRLT RaumlufttechnikWRG WrmerckgewinnungZU Zuluft

The heat is transported via ground heat exchangers ordirectly by the groundwater (see Part 4):

The types of ground heat exchanger used are:ground heat collectors, ground source heat ex-changers and other special types of ground heattransfer system

The groundwater can be taken via wells from aq-uifers, but also from mines or from the drainage oftunnel works

UTES systems (see Part 3)

a) Storage systems for heating purposesPossible heat sources are: solar heating, wasteheat, environmental heat.

b) Storage systems for cooling purposes (coldsource: environmental cold)

c) Storage systems for heating and cooling purposes combined with heat pumps without heat pumps, using environmental

cold/heatThe heat is transported via ground heat exchangers ordirectly by the groundwater (aquifer storage).

Direct uses (see Part 4)No heat pump or cooling/chilling unit is used in thesecases:

Cooling with groundwater Heating with groundwater Heating/cooling air below the ground

2 Abbreviations and definitions

2.1 AbbreviationsAB Exhaust air from roomAU Outside air (same as ambient air)FO Exhaust airL-EWT Earth-air heat exchangerRLT Ventilation and air-conditioningWRG Heat recoveryZU Supply air