VDI 4640 Blatt 1-2010 Thermal use of the underground - Fundamentals approvals environmental aspects.pdf

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1、ICS 27.010, 27.080, 27.200 VDI-RICHTLINIEN Juni 2010June 2010VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Thermische Nutzung des Untergrunds Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte Thermal use of the underground Fundamentals, approvals, environmental aspects VDI 4640 Blatt 1 / Part 1 Ausg. deutsch/englisch Issue Ge

2、rman/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (GEU) Fachbereich Energiewandlung und -anwendung VDI-Hand

3、buch Energietechnik VDI-Handbuch Ressourcenmanagement in der Umwelttechnik Frhere Ausgaben: 12.00, 06.08 Entwurf, deutsch Former editions: 12/00, 06/08Draft, inGerman only Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedZu beziehen d

4、urch / Available atBeuthVerlagGmbH, 10772 BerlinAlleRechtevorbehalten/ All rights reserved VereinDeutscherIngenieuree.V., Dsseldorf 2010 Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung. 2 1 Anwendungsbereich . 3 2 Begriffe. 4 3 Formelzeichen und Abkrzungen 6 4 Grundlagen 7 4.1 Wrmeregime im U

5、ntergrund. 7 4.2 Grundstzliches zur Anlagenauslegung 9 5 Erforderliche Genehmigungen.12 5.1 Wasserrecht 13 5.2 Bergrecht 17 5.3 Genehmigungspraxis in sterreich und der Schweiz. 18 6 Sicherheitsaspekte der Wrmepumpe.20 7 Standortbewertung 20 7.1 Oberirdische Standortgegebenheiten 20 7.2 Unterirdische

6、 Standortgegebenheiten. 21 8 Umweltaspekte 22 8.1 Primrenergiebedarf und CO2-Emissionen. 23 8.2 Einfluss von Wrmepumpen-Arbeitsmitteln 25 8.3 Mgliche Auswirkungen bei thermi-scher Nutzung des Untergrunds . 25 8.4 Umweltschutz bei Bohrarbeiten. 28 9 Umweltgerechte Materialauswahl fr Einbauten im Unte

7、rgrund. 29 9.1 Materialien fr Brunnen, Erdwrmekollektoren, Erdwrmesonden und Rohre 29 9.2 Wrmetrgermedien in Erdwrmekollektoren und Erdwrmesonden 29 9.3 Wrmepumpen-Arbeitsmittel fr Direktverdampfung 30 Schrifttum 31 Preliminary note .2 Introduction 2 1 Scope 3 2 Terms and definitions4 3 Symbols and

8、abbreviations 6 4 Principles7 4.1 Underground heat regime .7 4.2 Principles of system design.9 5 Required approvals .12 5.1 Water law13 5.2 Mining law17 5.3 Approval practices in Austria and Switzerland.18 6 Safety aspects of heat pumps 20 7 Site evaluation20 7.1 Above-ground site conditions.20 7.2

9、Underground site conditions.21 8 Environmental aspects22 8.1 Primary energy requirements and CO2emissions23 8.2 The impact of heat pump working fluids.25 8.3 Possible impacts of thermal use of the underground .25 8.4 Environmental protection during drilling works .28 9 Environmentally-compliant mate

10、rial choice for underground installations29 9.1 Materials used in wells, ground heat collectors, borehole heat exchangers and pipes.29 9.2 Heat transfer media in ground heat collectors and borehole heat exchangers29 9.3 Heat pump working fluids for direct expansion30 Bibliography.31 B55EB1B3E14C2210

11、9E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI 4640 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unterBeachtung der Vorgaben und Empfehlungen derRichtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbeso

12、ndere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung derLizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), diein den VDI-Me

13、rkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are

14、reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in

15、 the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Der Untergrund kann als Wrmequelle, Wrme-senke und thermischer Energiespeicher genutztwerden. Er ist wegen des groen erschliebarenVolumens und des gleichmigen Temper

16、atur-niveaus fr viele Anwendungen im Niedertempera-turbereich gut geeignet. Umwelt- und Erdwrme aus dem Untergrund wirdber horizontale und vertikale Erdreichwrme-bertrager oder durch Abpumpen von Grundwas-ser gewonnen und (meist ber Wrmepumpen)zum Heizen eingesetzt. Derartige Wrmepumpen-Anlagen knne

17、n neben der Beheizung auch fr dieRaumkhlung verwendet werden. In einer zuneh-menden Zahl von Anlagen wird bereits direkteKhlung aus dem Untergrund ohne Einsatz derWrmepumpe im Sommer betrieben. Erdgekoppelte Wrmepumpen haben in Nordame-rika und in Europa eine groe Verbreitung erfahrenund stoen auch

18、in Deutschland auf groes Interes-se. Grnde dafr sind sicherlich, dass die Wrme-pumpe bezglich des Primrenergiebedarfs beimgegenwrtigen Stand der Technik mit realisierba-ren Einsparungen bis zu 60 % gegenber dem l-kessel und bis zu 40 % im Vergleich zum Gas-brennwertkessel die effizientere Technik da

19、rstellt.Durch den Einsatz der Elektro-Wrmepumpen entstehen im Gegensatz zu l- und Gasheizung die Schadstoffemissionen nicht vor Ort, sondernhauptschlich in modernen, mit aufwendigen Ab-gasreinigungsanlagen ausgersteten Kraftwerken. Dadurch wird ein wesentlicher Beitrag zur Sen-kung der Immissionen i

20、n dicht bebauten Wohnge-bieten geleistet. Der Untergrund kann auch als thermischer Spei-cher zum Heizen oder Khlen dienen. Wrme ausregenerativen Quellen (Sonne, Erdwrme u. .) Introduction The underground can be utilised as a heat source, a heat sink and a thermal energy reservoir. It is highly suita

21、ble for many applications in the low-temperature range, due to the large volumes avail-able and the uniform temperature. Environmental and geothermal energy from the underground is obtained via horizontal and vertical heat exchangers or by pumping groundwater, and is used for heating (mostly via hea

22、t pumps). Apart from heating, such heat pump systems can also be used for space cooling. In an increasing number of installations, direct cooling from the underground is used already during the summer without applica-tion of a heat pump. Ground source heat pumps are widespread in North America and i

23、n Europe, and arouse great interest in Germany also. The likely reasons are that given the current state of the art, heat pumps represent more efficient technology with regard to primary energy requirements, with achievable sav-ings of up to 60 % compared with oil-fired boilers and up to 40 % compar

24、ed with gas condensing boilers. Unlike oil and gas heating, the use of elec-tric heat pumps means that pollutant emissions do not occur in situ but mostly in modern power sta-tions equipped with advanced exhaust-gas purifica-tion systems. This makes a considerable contribu-tion towards the reduction

25、 of emissions in densely populated residential areas. The underground can also serve as a thermal reser-voir for heating or cooling. Heat from renewable sources (solar or geothermal energy, etc.) and B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deuts

26、cher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI 4640 Blatt 1 / Part 1 3 oder Abwrme, die sonst verloren gehen wrde,kann gespeichert und spter verwendet werden.Das Gleiche ist auch mit Umweltklte“ mglich,die fr Khlanwendungen gespeichert werdenkann. Schlielich sind auch Puffer- oder Redun-danzspeicher in de

27、r Fernwrmeversorgung oder fr Industrieprozesse mglich. Unterirdische therm-ische Energiespeicherung eignet sich besonders fr die Speicherung grerer Wrme- oder Kltemen-gen ber lngere Zeitrume. Diese Richtlinie wendet sich an planende und aus-fhrende Unternehmen, an Komponentenhersteller(z. B. fr Wrme

28、pumpen, Rohrleitungen, Wrme-dmmmaterialien usw.), an Behrden, an Energie-berater und an Fachausbilder. Ihr Ziel ist es, vomerreichten Stand der Technik ausgehend eine kor-rekte Auslegung, geeignete Materialwahl und rich-tige Ausfhrung von Bohrungen, Installation undSystemeinbindung von Anlagen zur t

29、hermischenNutzung des Untergrunds sicherzustellen. Damitknnen wirtschaftlich und technisch zufriedenstel-lende Anlagen gewhrleistet werden, die auch beilangfristigem Betrieb strungsfrei und ohne Um-weltbeeintrchtigung arbeiten. Die Richtlinienreihe VDI 4640 besteht aus vierBlttern: Blatt 1 Grundlage

30、n, Genehmigungen, Umwelt- aspekte Blatt 2 Erdgekoppelte Wrmepumpenanlagen Blatt 3 Unterirdische thermische Energiespeicher Blatt 4 Direkte Nutzungen Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/4640. waste heat that would be lost otherwise,

31、 can be stored and used later. The same is possible for “environmental cold”, which can be stored for cooling applications. Finally, buffer or redundancy storage is also applicable in district heating sys-tems or industrial processes. Underground thermal energy storage is especially suitable for sto

32、ring large quantities of heat or cold over longer periods of time. This guideline is addressed to planning and con-struction companies, component manufacturers (e. g. for heat pumps, pipes, insulation materials, etc), public authorities, energy consultants and tech-nical training organisations. Its

33、aim is to ensure appropriate design based on state of the art tech-nology, suitable selection of materials and correct execution of drillings, installation and integration of facilities into systems for the thermal utilisation of the underground. In this way, economically and technically satisfactor

34、y facilities can be guaranteed that operate for long periods without disruption and without adverse environmental impact. The guideline series VDI 4640 consists of four parts: Part 1 Fundamentals, approvals, environmental aspects Part 2 Ground source heat pump systems Part 3 Underground thermal ener

35、gy storage Part 4 Direct uses A catalogue of all available parts of this guideline series can be accessed on the internet at www.vdi.de/4640. 1 Anwendungsbereich Die Richtlinienreihe VDI 4640 bezieht sich auf diethermische Nutzung des Untergrunds bis etwa 400 m Tiefe. Folgende Anwendungsflle werden

36、in der Richtlinie behandelt: Erdgekoppelte Wrmepumpenanlagen (siehe VDI 4640 Blatt 2) Wrmepumpenanlagen zum Heizen Wrmepumpenanlagen zum Heizen und KhlenAnmerkung: Im Khlbetrieb kann die Khlung ber die Wrmepumpe und/oder direkt aus dem Untergrund unterUmgehung der Wrmepumpe erfolgen. Kltemaschinen z

37、um Khlen 1 Scope Guideline series VDI 4640 deals with the thermal utilisation of the underground down to a depth of approximately 400 m. It discusses the following applications: Ground source heat pump systems (see VDI 4640 Part 2) heat pump systems for heating heat pump systems for heating and cool

38、ing Note: In cooling operation, the cooling can be achieved via the heat pump and/or directly from the underground by circumventing the heat pump. chillers for cooling B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI 4640 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deut

39、scher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 Es kommen Erdreichwrmebertrager oder direktdas Grundwasser (siehe VDI 4640 Blatt 4) als Wrmetrger zum Einsatz: Als Erdreichwrmebertrager sind Erdwrme-kollektoren, Erdwrmesonden und weitere spe-zielle Bauarten von Erdreichwrmebertragern in Verwendung. Das Grundwa

40、sser kann ber Brunnen, aberauch aus Bergwerken oder der Entwsserungvon Tunnelbauwerken gefrdert werden. Unterirdische thermische Energiespeicher (siehe VDI 4640 Blatt 3) Speicher zum Heizen Als Wrmequelle kommen z. B. Solarthermie,Abwrme, Umweltwrme zum Einsatz. Speicher zum Khlen (Wrmesenke: Umwelt

41、klte“) Speicher zum Heizen und Khlen in Verbindung mit Wrmepumpen ohne Wrmepumpen mit Nutzung von Um-weltklte/-wrme“ Es kommen Erdreichwrmebertrager oder direktdas Grundwasser als Wrmetrger (Aquifer-speicher) zum Einsatz. Direkte Nutzungen (siehe VDI 4640 Blatt 4) Eine Wrmepumpe oder ein Klteaggrega

42、t werden nicht eingeschaltet bei: Khlung mit Grundwasser Heizung mit Grundwasser Lufterwrmung/-khlung im Untergrund Ground heat exchangers or the groundwater di-rectly (see VDI 4640 Part 4) are used as heat trans-fer media: Ground heat collectors, borehole heat exchan-gers and other special ground h

43、eat exchanger designs are in use as ground heat exchangers. The groundwater can derive from wells, but also from mineshafts or from tunnel drainage.Underground thermal energy storage (see VDI 4640 Part 3) storage systems for heating Solar energy, waste heat and environmental heat are examples for he

44、at sources used. storage systems for cooling (heat sink: “environmental cold”) storage systems for heating and cooling in conjunction with heat pumps without heat pumps, using “environmental cold/heat” Ground heat exchangers or direct use of the groundwater as a heat transfer fluid (aquifer stor-age

45、) are used. Direct uses (see VDI 4640 Part 4) A heat pump or a chiller is not used in: cooling with groundwater heating with groundwater air heating/cooling in the underground 2 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten diefolgenden Begriffe: Direktverdampfung Direktverdampfung bedeutet, da

46、ss das Arbeits-mittel des Wrmepumpenkreislaufs direkt in Erd-reichwrmebertragern zirkuliert und dort Wrmeaufnimmt. Erdwrmekollektoren Wrmebertrager, die horizontal oder schrg in denoberen fnf Metern des Untergrunds eingebaut wer-den. Es kann sich dabei um einzelne Rohrstrngehandeln, aber auch um par

47、allele Rohrregister, spiral-oder schraubenfrmige Rohrstrnge, Rohrregister an Grabenwnden und hnliche Anordnungen. Erdwrmesonden Wrmebertrager, die vertikal oder schrg in denUntergrund eingebracht werden. Meist handelt es2 Terms and definitions For the purposes of this guideline, the following terms

48、and definitions apply: Direct expansion Direct expansion means that the working fluid in the heat pumps system circulates directly in ground heat exchangers and takes up heat there. Ground heat collectors These are heat exchangers installed horizontally or inclined in the top five metres of the underground. They can consist of single pipe runs or of parallel sets of pipes, spiral or helical pipe runs, parallel sets at the walls of trenches and similar arrange-ments. Borehole heat exchangers Heat exchangers installed vertically or inclined in the underground. Mostly these are U-shaped