Heizungstechnik

Geothermie/Erdwärme

Das Erdreich ist ein guter Wärmespeicher, da die Temperaturen darin über das ganze Jahr mit 7 bis 13°C (in 2 m Tiefe) relativ gleichmäßig sind.

Schematische Darstellung einer Wärmepumpe mit ErdkollektorÜber horizontal verlegte Erdkollektoren oder über vertikal in die Erde eingebrachte Erdsonden wird die gespeicherte Wärme mit einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Sole) zum Verdampfer der so genannten Sole/ Wasser-Wärmepumpe (Sole im Primärkreislauf, Wasser im Sekundär-(Heizungs-)kreislauf) gefördert.

Der Wärmeentzug aus dem Erdreich erfolgt über großflächig verlegte Kunststoffrohrsysteme im Erdreich. Unter der Wärmequelle „Erdreich“ versteht man die oberste Erdschicht bis zu einer Tiefe von ca. 5m. Die Gewinnung der Wärme erfolgt über einen Wärmetauscher, der in einer unbebauten Fläche in der Nähe des zu beheizenden Gebäudes verlegt wird. Die aus tieferen Schichten nach oben strömende Wärme beträgt nur 0,063 bis 0,1 W/m² und kann als Wärmequelle für die oberen Schichten vernachlässigt werden. Der Erdreichkollektor wird durch Sonneneinstrahlung, Regen, Tauwasser etc. regeneriert bzw. nutzt die Energie aus diesen Umwelteinflüssen.

Die Kunststoffrohre (PE) werden im Erdreich in einer Tiefe von 1,2 bis 1,5m verlegt. Die einzelnen Rohrstränge sollten eine Länge von 100m nicht überschreiten, da die Druckverluste und damit die aufzubringenden Pumpenleistungen sonst zu hoch würden. Die Rohrstränge sollten jeweils gleich lang sein, um so identische Druckverluste und folglich gleiche Durchströmungsbedingungen zu erreichen. Damit entzieht das Kollektorfeld dem Erdreich gleichmäßig die Wärme. Die Rohre sind an ihren Enden in etwas höher gelegenen Vor– und Rücklaufsammlern (Entlüftung) zusammengefasst. Jeder Strang sollte einzeln absperrbar sein. Die Sole wird mit einer Umwälzpumpe durch die Kunststoffrohre gepumpt; sie nimmt dabei die im Erdreich gespeicherte Wärme auf.

Eine zeitweilige geringe Vereisung des Erdreiches im direkten Bereich um die Rohre hat auf die Funktion der Anlage und auf den Pflanzenwuchs keine nachteiligen Folgen. Es sollten jedoch keine tief wurzelnden Pflanzen im Bereich der Solerohre gepflanzt werden. Die Regeneration des entwärmten Erdreiches erfolgt im Frühjahr und Sommer durch zunehmende Sonneneinstrahlung und Niederschläge, so dass sichergestellt ist, dass zur kommenden Heizperiode der Wärmespeicher Erdreich wieder für Heizzwecke zur Verfügung steht. Flächen über Erdkollektoren sollten nicht bebaut oder versiegelt werden.

Die notwendigen Erdreichbewegungen lassen sich bei einem Neubau meistens ohne große Mehrkosten ausführen, hingegen sind die Kosten hierfür bei einem bestehenden Gebäude zumeist so hoch, dass eine Nachrüstung allein aus diesem Grunde oft ausscheidet.

Temperatur im Erdreich über das Jahr verteiltDie nutzbare Wärmemenge und damit die Größe der notwendigen Fläche hängt stark von den thermo–physikalischen Eigenschaften des Erdreiches und von der Einstrahlungsenergie, d. h. von den klimatischen Verhältnissen ab. Als Erdreich-Eigenschaften sind vor allem der Wasseranteil, die Anteile an mineralischen Bestandteilen, wie Quarz oder Feldspat, sowie der Anteil und Größe der luftgefüllten Poren maßgebend. Vereinfacht ausgedrückt kann man sagen, dass die Speichereigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit um so größer sind, je mehr der Boden mit Wasser angereichert ist, je höher der Anteil der mineralischen Bestandteile ist und je geringer die Porenanteile sind. Die Entzugsleistungen für das Erdreich liegen dabei zwischen ca. 10 und 35 W/m².
Trockener sandiger Boden qE= 10 bis 15 W/m²
Feuchter sandiger Boden qE = 15 bis 20 W/m²
Trockener lehmiger Boden qE = 20 bis 25 W/m²
Feuchter lehmiger Boden qE = 25 bis 30 W/m²
Grundwasserführender Boden qE = 30 bis 35 W/m²

Während für die Verlegung der Erdkollektoren in mehr als 1m Tiefe größere Erdbewegungen nötig sind, ist die Einbringung einer Erdsonde mit modernen Bohrgeräten innerhalb weniger Stunden erledigt.

Schematische Darstellung der Wärmepumpe mit ErdsondenBei Anlagen mit Erdsonden ist die Bestimmung der Anordnung und Bohrtiefe besonders wichtig. Dafür gibt es Geologen und spezialisierte Bohrfirmen mit entsprechendem Fachwissen sowie Software für die Auslegung und Optimierung. Außerdem kann mit diesen Spezialunternehmen vertraglich eine Entnahmeleistungs-Garantie (z. B. für 10 Jahre) vereinbart werden. Für solche Anlagen muss in Deutschland eine wasserrechtliche Erlaubnis eingeholt werden. Das Wasser-Wirtschaftsamt ist für Bohrungen bis 100m Tiefe zuständig. Tiefergehende Bohrungen müssen durch das zuständige Bergbauamt zusätzlich genehmigt werden. In die Bohrung wird ein vorkonfektionierte Sonde eingeführt und anschließend der Hohlraum zwischen Sondenrohr und Bohrung mit Füllstoff verpresst. Es werden meist vier Rohre parallel eingesetzt (Doppel-U-Rohr-Sonde).

Die Kosten für die Erstellung einer Bohrung einschließlich der Sonde belaufen sich je nach Bodenbeschaffenheit auf 60 bis 110 €/m. Für ein typisches Einfamilienhaus in Niedrigenergiehaus–Bauweise ist eine Wärmepumpen–Heizleistung von etwa 6 kW zur komfortablen Beheizung notwendig, dazu ist eine Bohrungstiefe von etwa 95m erforderlich. Damit ergeben sich Bohrungskosten von ca. 6000 bis 12000 €. Voraussetzung für die Planung und Einbringung von Erdwärmesonden ist die genaue Kenntnis der Bodenbeschaffenheit, der Schichtenfolge, des Bodenwiderstandes sowie das Vorhandensein von Grund oder Schichtenwasser mit Wasserstandsbestimmung und dessen Fließrichtung. Bei einer Erdwärmesondenanlage kann bei normalen hydrogeologischen Bedingungen von einer mittleren Sondenleistung von 50 W/m Sondenlänge (gemäß VDI 4640) ausgegangen werden. Befindet sich die Sonde in einem ergiebigen Grundwasserleiter, können auch noch höhere Entzugsleistungen realisiert werden.

Die Sole strömt in zwei Rohren vom Verteiler aus nach unten und wird durch zwei weitere Rohre wieder nach oben zum Sammler zurückgeführt.

Als Arbeitsmedium im Erdkollektor oder in der Erdsonde wird Sole (Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel) eingesetzt, so dass keine Gefahr des Einfrierens besteht.