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Die Technik 2018-05-24T17:23:12+00:00

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Die Technik

1. Hydrogeologie

1.1  Ausgangssituation

Gegenüber der Versorgung eines einzelnen Gebäudes werden bei einem Semizentralen Wärmepumpensystem wesentlich höhere Mengen an Grundwasser gefördert. In der ursprünglichen Planung mit ca. 160 Häusern (dies betrifft das Versorgungsgebiet mit den Erschließungsabschnitten 2–5; Planungsstand: 2011/12, siehe Abbildung 1.1) sollten bei einer angesetzten Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf von 5 Kelvin ca. 300.000 m³ jährlich mit einem zentralen Brunnen gefördert werden. Die nun ausgeführte Anlage weist eine maximale Kapazität von insgesamt ca. 185.000 m³/Jahr (m³/a) auf

Abb. 1-1: Versorgungsgebiet mit Erschließungsabschnitten (Stand 2012)

Abb. 1.1: Versorgungsgebiet mit Erschließungsabschnitten (Stand: 2011/2012)

Die großen benötigten Wassermengen erforderten zusätzliche hydrogeologische Untersuchungen, die in zwei Schritten durchgeführt wurden. Zunächst erfolgte die Standortermittlung des Saugbrunnens im Rahmen einer Machbarkeitsstudie, gefolgt von einer Simulation mittels eines Grundwasserströmungs- und Wärmetransportmodells zur Bestimmung des Schluckbrunnenstandorts und der Auswirkungen auf den Grundwasserleiter.

1.2  Machbarkeitsstudie

Zur Erstellung der Machbarkeitsstudie wurde im Jahr 2011 das Ingenieurbüro Spitzlei & Jossen aus Siegburg beauftragt. Die technische Machbarkeit wurde zunächst vor Ort mittels dreier Pegelbrunnen überprüft, die von der Robert Plängsken GmbH mit Sitz in Neukirchen-Vluyn abgeteuft wurden. Mittels Pumpversuchen erfolgte die Untersuchung der Ergiebigkeit des Grundwasserleiters und der Wasserqualität.

Die Ergebnisse der Auswertungen wurden in einem Abschlussbericht zusammengefasst. Es wurde festgestellt, dass die erforderliche Ergiebigkeit des Grundwasserleiters, bedingt durch die hohe Anzahl an zu versorgenden Häusern, nur an einem der drei gebohrten Pegelbrunnen gegeben ist. An der Grundwassermessstelle GWMS 3 ist die Mächtigkeit des mit Wasser gefüllten Aquifers um 8 m größer als bei GWMS 1 und 2. Dies erklärt sich aus der unruhigen Morphologie der Stauschichten unterhalb des grundwasserleitenden Horizontes mit einzelnen rinnenartigen Vertiefungen. Hier sollte später der Förderbrunnen errichtet werden. Eine Verockerungsgefahr der Brunnen besteht aufgrund der relativ geringen Eisen- und Manganwerte im Grundwasser nicht, solange verhindert wird, dass dem System Sauerstoff zugeführt wird.

Abb. 2‑2: Pumpversuch

Pumpversuch

1.3  Grundwasserströmungs- und Wärmetransportmodell

Mit der Aufstellung eines kalibrierten, numerischen Grundwassermodells wurde das Büro für Geohydrologie und Umweltinformationssysteme aus Bielefeld, Dr. Brehm & Grünz, beauftragt. Da der Standort für den Saugbrunnen bereits in der Machbarkeitsstudie ermittelt wurde, musste noch ein geeigneter Standort für die Schluckbrunnen bestimmt werden. Ziel sollte es hierbei sein, Kurzschlussströmungen zwischen Saug- und Schluckbrunnen zu verhindern und die thermische Beeinflussung des Grundwassers für die im Abstrom liegenden Grundwassernutzer weitestgehend zu reduzieren.

Unter der Annahme eines spezifischen Jahresbedarfs von 13.000 kWh/Objekt ergibt sich unter der Berücksichtigung von 162 Häusern ein Gesamtbedarf von 2.106 Megawattstunden pro Jahr (MWh/a). Auf der Basis von Daten aus dem Jahr 2009 wurde ein Jahresgang für den Bedarf durch die Gasversorgungsgesellschaft mbH Rhein-Erft ermittelt. Aus diesem Lastprofil wurden monatliche Grundwassermengen abgeschätzt, die die Basis für die Simulation bilden (siehe Tabelle 1.1).

Abb. 2‑3: Standorte der Grundwassermessstellen

Abb. 1.2: Standorte der Grundwassermessstellen

Die nordöstliche Grenze des Grundwasserströmungs- und Wärmetransportmodells wird durch den Rhein gebildet. Das Modellgebiet weist eine Gesamtgröße von ca. 25 km² auf. Durch die Einbindung der umliegenden Grundwassernutzungen und des Rheins als relevante Randbedingung besteht eine hohe Aussagegenauigkeit hinsichtlich der potenziellen Wechselwirkungen mit den geplanten Brunnen.

Tabelle 2‑1: Überschlägige Abschätzung des Grundwasserbedarfes

Tabelle 1.1: Überschlägige Abschätzung des Grundwasserbedarfs

Bei ausgeglichenem Wasserstand (langzeitige Mittelwassersituation im Rhein) verläuft die Grundwasserfließrichtung etwa parallel zur Fließrichtung des Rheins, also von Südost nach Nordwest. In den Fällen von Niedrigwasser infiltriert Grundwasser in den Rhein mit einer etwa nach Norden gerichteten Fließrichtung. Im Hochwasserfall kann sich, zeitlich eng begrenzt, eine Ablenkung der Fließrichtung nach Westen einstellen. Aufgrund der begrenzten Dauer von Hochwasserereignissen führt dies nicht zu nachhaltigen Einflüssen auf die Grundwassersituation.

Es wurden mehrere Standorte für die Schluckbrunnen untersucht, wobei die nachfolgend beschriebene Variante der ausgeführten Variante annähernd entspricht. Anhand der Kältefahne des Grundwassers ist zu erkennen, dass es über den gesamten Simulationszeitraum von 30 Jahren zu keiner Kurzschlussströmung zwischen Förder- und Schluckbrunnen kommt. Hauptbetroffener Grundwassernutzer im Abstrom ist die Shell Deutschland Oil GmbH. Da das geförderte Grundwasser dort jedoch zu Kühlzwecken genutzt wird, bestehen seitens des Unternehmens keine Bedenken bezüglich des gewählten Standorts für den Schluckbrunnen und der gegebenenfalls damit einhergehenden leichten Abkühlung des Grundwassers vor dessen Zustrom in die Flächen des Unternehmens.

Des Weiteren wurden die hydrogeologischen Berechnungsergebnisse der zuständigen Genehmigungsbehörde, Untere Wasserbehörde (UWB) des Rhein-Erft-Kreises, vorgestellt und die Anforderungen für eine Genehmigung abgestimmt. Für die weitere Planung war von besonderer Bedeutung, dass von der UWB eine Abkühlung des Grundwassers von 5 Kelvin durch den Rücklauf aus dem Semizentralen Wärmepumpensystem akzeptiert wurde. Alle o. g. Ergebnisse beziehen sich auf den Planungsstand 2011/2012.

Abb. 2‑4: Ausbreitung der Kältefahne nach 1, 5, 10 und 30 Jahren Simulationsdauer

Abb. 1.3: Ausbreitung der Kältefahne nach 1, 5, 10 und 30 Jahren Simulationsdauer

In 2016 wurde ein Genehmigungsantrag zur Errichtung eines Saug- und Schluckbrunnens mit einer Fördermenge für den 4. Erschließungsabschnitt (4. EA) im 1. Bauabschnitt von insgesamt 110.000 m³/a gestellt und genehmigt. Die Brunnen und das zugehörige Wassernetz wurden errichtet. Die entsprechende Planung bis zur Bauüberwachung erfolgte durch die Björnsen Beratende Ingenieure GmbH, Koblenz.

Die zunächst in der Vorplanung nur als mögliche Ergänzung angedachte Einspeisung von abgekühltem Rücklaufwasser aus dem Wärmepumpensystem in den künstlichen Bachlauf wurde aus energetischen Gründen ebenfalls umgesetzt. Hierzu wurde von der UWB jedoch eine weitere hydrogeologische Untersuchung gefordert, bei der das Verhalten des am Ende des Bachlaufs zur Versickerung gebrachten Wassers auf den Grundwasserleiter untersucht werden sollte. Es konnte nachgewiesen werden, dass keine Beeinflussung der Grundwassertemperatur im Saugbrunnen und somit keine Kurzschlussströmung zwischen Versickerungsbereich des Baches und Entnahmetrichter des Saugbrunnens stattfindet (siehe Abbildung 1.4).

Abb. 2‑5: Ausgeführtes Brunnensystem mit Wassernetz und künstlichem Bachlauf in 2016

Abb. 1.4: Ausgeführtes Brunnensystem mit Wassernetz und künstlichem Bachlauf in 2016

Der vorhandene Förderbrunnen diente bis zu Errichtung des neuen Saugbrunnens (Förderbrunnen neu) ausschließlich zur Speisung des Bachlaufes. Zukünftig soll er als Redundanzbrunnen mit in das Gesamtsystem Wärmepumpen/Bachspeisung eingebunden werden. Die Förderkapazität ist jedoch begrenzt, sodass eine vollständige Notversorgung, insbesondere in den Wintermonaten, nicht gewährleistet werden kann. Es wird daher aus Redundanzgründen eine zweite baugleiche Pumpe für den neuen Saugbrunnen im Lager vorgehalten, sodass bei einem Defekt der eingebauten Pumpe die Ausfallzeiten so gering wie möglich gehalten werden können. In dieser Zeit erfolgt eine Noteinspeisung über Hydranten aus dem Trinkwassernetz.

Abb. 1.5: Ausbreitung der Kälte- bzw. Wärmefahne im Grundwasserleiter in den Sommermonaten nach ca. 28 Jahren

2. Brunnen

2.1  Lage

Die Standorte des Saugbrunnens (Entnahmebrunnen) und des Schluckbrunnens wurden auf Grundlage der hydrogeologischen Berechnungen gewählt. Der Schluckbrunnen befindet sich daher im nördlichsten Bereich des Bebauungsgebietes (siehe Abbildung 2.1). Außerdem wurden die Brunnen auf öffentlichen Flächen mit guter Zuwegung errichtet.

Abb. 3‑7: Lage der Brunnen

Abb. 2.1: Lage der Brunnen

2.2  Ausbau der Brunnen

Die Brunnen wurden in ergiebigen, sandig-kiesigen Ablagerungen der quartären Niederterrasse des Rheins (NT) im November 2015 ausgebaut. Zur Geländeoberkante hin sind diese durch eine ca. 1 m bis 3 m mächtige Deckschicht von Auen- und Hochflutlehmen abgedeckt. Das Unterlager des NT-Grundwasserleiters ist in Form von tertiärem Feinsand und Schluff bei ca. 25–30 m unter der Geländeoberkante (GOK) zu erwarten. Der Grundwasserflurabstand unter Niedrigwasserbedingungen liegt ca. 10 m unter GOK. Damit beträgt die wassererfüllte Mächtigkeit des NT-Grundwasserleiters 15–20 m. Hieraus ergibt sich ein typisches Untergrundprofil und Ausbaukonzept (siehe Abbildung 2.2).

Abb. 3‑8: Typisches Untergrundprofil und Ausbaukonzept des Saugbrunnens

Abb. 2.2: Typisches Untergrundprofil und Ausbaukonzept des Saugbrunnens

 

Auf Basis dieses Konzepts (Typosprofil) wurden Saug- und Schluckbrunnen in einer Kombination von Edelstahlfilterrohren und PVC-Vollrohren mit einem Durchmesser von DN 250 ausgebaut. Die Tiefe des Saugbrunnens beträgt nach der tatsächlichen örtlichen Situation 28,50 m, wobei zwei durch ein PVC-Vollrohr getrennte Filterrohre in einer Tiefe zwischen 18,00 m und 27,50 m angeordnet wurden. Der Schluckbrunnen weist eine Tiefe von 25,50 m auf. Der Ex-Filtrationsbereich befindet sich hier in einer Tiefe zwischen 14,00 m und 24,50 m. Die Bohrungen beider Brunnen erfolgten mit einem Durchmesser von 500 mm.

Im Rahmen der Inbetriebnahme wurde ein Pumpversuch durchgeführt. Hierbei bestätigte sich die bereits erwähnte hohe Ergiebigkeit des Grundwasserleiters. Bei einer Fördermenge von 81 m³/Stunde (m³/h) wurde im Brunnen eine sehr geringe Absenkung von 0,19 m festgestellt. Die Kapazität des Saugbrunnens geht damit weit über die beantragte Menge von 55 m³/h hinaus. Diese Ergebnisse und eine zusätzliche wirtschaftliche Untersuchung haben dazu geführt, dass noch Teilbereiche im 2. Bauabschnitt mitversorgt werden sollen. Die UWB sieht bezüglich einer Erhöhung der Grundwasserentnahme keine Probleme, da die hydrologischen Berechnungen auf noch höheren Grundwassermengen basieren

Abb. 3‑9: Ausgeführter Ausbau des Saugbrunnens

Abb. 2.3: Ausgeführter Ausbau des Saugbrunnens

3. Wasser- und Leerrohrnetz

Die Vor- und Rücklaufleitungen wurden zusammen in einem Graben verlegt (siehe Abbildung 3.1). Da die Hausanschlüsse wie bei der Trinkwasserversorgung mittels Ventilanbohrschellen angeschlossen werden, muss die genaue Lage der Hausanschlüsse bei der Verlegung der Hauptleitungen nicht bekannt sein.

Abb. 4‑10: Leitungsnetz im 1. EA des 1. Bauabschnitts (Plan in anderem Maßstab liegt Ausarbeitung bei)

Abb. 3.1: Leitungsnetz im 1. Erschließungsabschnitt des 1. Bauabschnitts

Insgesamt wurden im 1. Bauabschnitt ca. 1.125 m HDPE-Rohre (Vor- und Rücklauf) mit Außendurchmessern von 63 mm bis 125 mm für das Versorgungsnetz verlegt. Zusätzlich wird von ca. 680 m Hausanschlussleitungen ausgegangen. Für den 2. Bauabschnitt werden zurzeit weitere ca. 700 m HDPE-Rohre zur Erweiterung des Versorgungsnetzes verlegt. Es sollen zwei weitere Wohnanlagen und eine Kindertagesstätte angeschlossen werden.

Die Systemgrenze zwischen Versorger und Kunden befindet sich hinter dem Wärmetauscher bzw. den zugehörigen Absperrventilen. Bei Bedarf der Wärmepumpe öffnet sich das Magnetventil auf der Rücklaufseite, und der Wärmetauscher wird durchströmt (siehe Abbildung 3.2).

Abb. 4‑11: Übergabestation mit Wärmetauscher

Abb. 3.2: Übergabestation mit Wärmetauscher

Bei größeren Wohnanlagen, wie bei der GWG, werden die Komponenten der Übergabestation einzeln zusammengestellt.

Die Einfamilienhäuser sollen Kompaktstationen erhalten, wie sie bereits im Nahwärmenetz eingesetzt werden. Diese werden auf die Belange von Wasser-Wasser-Wärmepumpen abgestimmt.

Abb. 4‑12: Übergabestation in der Wohnanlage der GWG

Abb. 3.3: Übergabestation in der Wohnanlage der GWG

4. Ausrüstung

4.1  Verfahrenstechnik

Da der künstliche Bachlauf mit in das Semizentrale Wärmepumpensystem eingebunden ist, ergibt sich eine komplexe Verfahrenstechnik, bei der insgesamt folgende drei Ausbauvarianten betrachtet werden:

  1. Der Saugbrunnen fördert nur Wasser für das Wärmepumpensystem. Der Bachlauf ist außer Betrieb. Der Rücklauf aus den Wärmetauschern wird ausschließlich dem Schluckbrunnen zugeführt.
  2. Der Saugbrunnen fördert Wasser für das Wärmepumpensystem und den Bach. Der Rücklauf aus den Wärmetauschern wird ausschließlich dem Schluckbrunnen zugeführt.
  3. Der Saugbrunnen fördert Wasser für das Wärmepumpensystem und den Bach. Der Rücklauf aus den Wärmetauschern wird dem Bach zugeführt. Der Rücklauf zum Schluckbrunnen ist abgesperrt bzw. je nach Wassermenge gedrosselt.

Die unterschiedlichen Lastfälle sind erforderlich, da der Bach in Abhängigkeit von der Jahreszeit täglich ca. 10 bis 14 Stunden betrieben wird. Außerdem soll der Bach zeitweise wieder über den vorhandenen Brunnen (Redundanzbrunnen) gespeist werden.

Abb. 5‑14: Saugbrunnen

Abb. 4.1: Saugbrunnen

4.2  Maschinentechnik

Da an das Wassernetz bisher nur eine Wohnanlage angeschlossen ist, wird der Saugbrunnen übergangsweise mit einer Pumpe aus dem Bestand der Stadtwerke Wesseling GmbH betrieben. Hierbei handelt es sich um eine zweistufige Unterwassermotorpumpe mit eingebautem Rückschlagventil. Der Förderstrom wird über einen Frequenzumrichter geregelt und beträgt maximal 40 m³/h bei einer Förderhöhe von 33,90 m. Bei Überschreiten der Fördermenge aufgrund weiterer Anschlüsse wird die vorhandene Pumpe durch eine größere Pumpe ersetzt, die auf den Endausbauzustand von ca. 100 m³/h ausgelegt wird.

4.3  E-MSR- und Prozessleittechnik

Die Regelung des Wärmepumpensystems erfolgt, wie in der Trinkwasserversorgung, über den Druck im Leitungsnetz, der zurzeit bei ca. 3 bar liegt. Hierzu wurde eine Druckmessung im Saugbrunnen installiert (siehe rechts und links in Abbildung 4.2). Überwacht werden auch die Wassertemperaturen im Saug- und Schluckbrunnen, damit ein kontinuierlicher Nachweis über die Temperaturabsenkung im Rücklauf erbracht werden kann.

Mittels Pegelmessungen werden die Schachtbauwerke beider Brunnen vor Überflutung geschützt. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Wasserstands in den jeweiligen Brunnen wird die Pumpe automatisch abgeschaltet. Des Weiteren dient die Pegelmessung im Saugbrunnen auch als Trockenlaufschutz, der bewirkt, dass die Pumpe bei Unterschreiten eines Mindestwasserstands abschaltet.

Die Wassermenge für den Bachlauf wird über eine Durchflussmessung (MID) und einen Regelschieber im Saugbrunnen eingestellt. Ziel der Regelung ist es, dass während des Bachbetriebs sämtliches Wasser aus dem Rücklauf des Wärmepumpensystems in den Bach eingespeist wird. Hierzu dient ein weiterer Schieber, der im Schluckbrunnen installiert wurde. Somit reduziert sich die zu fördernde Wassermenge für den Bach deutlich. Zur Verlegung von Strom- und Datenkabeln wurde ein Doppel-Leerrohrsystem zwischen Saug- und Schluckbrunnen verlegt.

Die Automatisierungsstation besteht u. a. aus einer Kompakt-CPU vom Typ Siemens S7 sowie aus analogen und digitalen Ein-/Ausgabegruppen. Ein Web-Connector dient der Datenübertragung zwischen der örtlichen SPS und dem übergeordneten Prozessleitsystem, das sich auf der Abwasserreinigungsanlage Rodderweg befindet. Von hier erfolgen auch die Überwachung und die Instandhaltung des Gesamtsystems. Die Fernprogrammierung wird mittels eines GSM-/GRPS-Modems ermöglicht.

Abb. 4‑15: Prozessbild

Abb. 4.2: Prozessbild

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