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Erdwärmesonde

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Definition: eine in das Erdreich eingelassene Sonde zur Entnahme von Erdwärme z. B. für eine Wärmepumpenheizung

Englisch: vertical closed loop

Kategorien: Grundbegriffe, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 04.03.2013; letzte Änderung: 22.10.2016

Viele Wärmepumpenheizungen nutzen die oberflächennahe Geothermie mit Hilfe einer oder mehreren Erdwärmesonden. Eine solche Sonde verläuft von der Erdoberfläche über eine Strecke von typischerweise 100 bis 200 Metern senkrecht nach unten. In den meisten Fällen wird eine frostgeschützte Flüssigkeit (ungenau als “Sole” bezeichnet) durch die Sonde gepumpt, der mit Hilfe einer Wärmepumpe Wärme entzogen wird. Die Sonde enthält zwei Rohre, die ganz unten miteinander verbunden sind, so dass die Sole im einen Rohr absinken und im anderen wieder aufsteigen kann. Die Temperatur der Sonde ist im Betrieb etwas niedriger als die des umliegenden Erdreichs, so dass von dort ständig Wärme in die Sonde strömt. Auch bei starkem Frost an der Erdoberfläche hat das Erdreich weiter unten immer noch Temperaturen von deutlich über 0 °C, und die Sole wird meistens mit rund 5 oder sogar 10 °C entnommen oder wenigstens nicht unter 0 °C.

Die entzogene Wärme wird von der Wärmepumpe als Heizwärme auf einem höheren Temperaturniveau abgegeben, z. B. mit 30 °C für den Betrieb einer Fußbodenheizung. Dieser relativ geringe Temperaturunterschied ermöglicht eine hohe Leistungszahl der Wärmepumpe von z. B. 4 oder mehr, während für höhere Vorlauftemperaturen (z. B. 50 °C für Heizkörper) die Energieeffizienz deutlich schlechter wird.

Die Installation einer Erdwärmesonde beginnt mit der Bohrung. In das Bohrloch wird dann die eigentliche Sonde eingeführt, die meist aus Kunststoffrohren gefertigt ist. Der zwischen Sonde und Erdreich verbleibende Hohlraum wird z. B. mit einem speziellen Zement ausgefüllt, um einen guten Wärmekontakt mit dem Erdreich zu gewährleisten. Auch für den Schutz des Grundwassers ist diese Abdichtung notwendig.

Die “Sole” ist meist Wasser, das mit einem Frostschutzmittel versehen ist. Das Auslaufen der Sole ins Erdreich bei einem Defekt ist wegen der resultierenden Verschmutzung des Grundwassers unerwünscht, kann aber in aller Regel vermieden werden. Wegen eines Restrisikos sind Erdwärmesonden aber in Grundwasserschutzgebieten meist nicht erlaubt.

Bislang wurde als Frostschutzmittel meistens Glykol (genauer: Ethylenglycol = Ethan-1,2-diol) verwendet. Hiermit kann zwar der Gefrierpunkt der “Sole” ausreichend abgesenkt werden, jedoch wird die Viskosität (Zähflüssigkeit) erhöht, sodass ein erhöhter Aufwand an Pumpenergie entsteht. In Zukunft könnte statt Glykol auch Ethanol (z. B. mit einem Volumengehalt von 20 %) eingesetzt werden, welches eine sehr viel geringere Viskosität aufweist und zudem eine höhere spezifische Wärmekapazität; die Solepumpe muss dann also einen geringeren Volumenstrom gegen einen deutlich niedrigeren Druck fördern, was den Pumpstrombedarf erheblich reduziert. Die keimtötende Wirkung des Ethanols ist ebenfalls erwünscht. Allerdings müssen Pumpen und Armaturen für Ethanol geeignet sein, da dieses auf manche Materialien korrosiv wirkt.

Energieausbeute einer Erdwärmesonde; nötige Länge der Sonden

Für eine gute Energieeffizienz der Wärmepumpenheizung sollte die Temperatur der Sonde nicht allzu stark abfallen gegenüber der des Erdreichs. Hierfür muss die Wärmeentnahme auf z. B. 70 Watt pro Meter Sondenlänge begrenzt werden. Gut geeignete (z. B. feuchte lehmige) Böden erlauben tendenziell eine höhere Wärmeentnahme als trockene, sandige Böden.

Die Gesamtlänge der Sonde ergibt sich aus der maximalen Kälteleistung, die etwa um die Antriebsleistung der Wärmepumpe niedriger ist als die maximale Heizleistung. Wenn beispielsweise maximal 12 kW Heizleistung benötigt werden und die Wärmepumpe 2 kW an elektrischer Leistung aufnimmt, ist die maximale Kälteleistung 10 kW, und es ergibt sich eine Sondenlänge von ca. 150 Metern. Für ein gut wärmegedämmtes neues Einfamilienhaus sollte schon halb so viel genügen, während ein unsanierter Altbau eher zwei solche Sonden benötigt. Offensichtlich hat dies einen großen Einfluss auf die Gesamtkosten der Wärmepumpenheizung. Für hohe Heizleistungen werden Erdsonden kostspielig, da die Kosten anders z. B. als bei Grundwasser-Sonden und Heizkesseln fast proportional zur Heizleistung ansteigen. Da die Lebensdauer von Erdwärmesonden sehr hoch ist, ist allerdings eine relativ lange Amortisationszeit akzeptabel.

Wenn eine Sonde nicht ausreicht bzw. die Kosten für die große Bohrtiefe zu hoch würden, kann die Leistung auch auf mehrere Sonden aufgeteilt werden. Diese müssen dann einen ausreichenden Abstand voneinander haben, typischerweise einige Meter, damit die von einer Sonde resultierende Abkühlung des Bodens die anderen nicht zu sehr beeinflusst.

Sehr tief reichende Sonden können vor allem in dicht bebauten städtischen Gebieten nützlich sein.

Typisch sind Sondenlängen von 100 bis 300 Metern. Es ist allerdings auch möglich, wesentlich tiefer reichende Sonden zu erstellen, z. B. mit 500 m Länge oder sogar mehr. Dies hat den Vorteil, dass für einen hohen Wärmebedarf (z. B. für die Beheizung schwer zu sanierender Gebäude) weniger Sonden benötigt werden, die also auch an der Oberfläche eine geringere Fläche belegen. In eng bebauten städtischen Lösungen ist dies manchmal die einzige Möglichkeit für die Umrüstung auf Wärmepumpen, wenn man zu wenig Grundstücksfläche für mehrere Sonden hat und/oder Nachbarn bereits nahe gelegene Sonden betreiben. Hinzu kommt, dass die Temperatur in großer Tiefe zunimmt, so dass die nötige Sondenlänge insgesamt etwas kleiner wird. Andererseits ist die Errichtung sehr tiefer Sonden aufwendiger, teilweise wegen des enormen hydrostatischen Drucks, der eine stabilere Ausführung nötig macht.

Eine eher großzügige Bemessung der Erdwärmesonde(n) ist energetisch günstig; eine zu knappe Bemessung sollte unbedingt vermieden werden. Der Nachteil einer Überdimensionierung sind lediglich etwas höhere Kosten.

Ob der Boden in der Nähe der Erdsonde oft von der Sonne beschienen wird, ist anders als bei einem Erdregister nicht wichtig, da dies ohnehin nur die oberste Erdschicht betrifft.

Erdwärmesonden-Felder

Wenn eine große Anzahl von Sonden nahe beieinander liegen, können sie sich thermisch gegenseitig beeinflussen!

Für größere Gebäudekomplexe werden manchmal ganze Erdwärmesonden-Felder mit einer größeren Anzahl von Sonden erstellt. Wenn die Abstände zwischen den Sonden nicht sehr groß sind, kann dies die Regeneration des Erdreichs beeinträchtigen: Bei ständiger Wärmeentnahme ohne zwischenzeitliche Wärmezufuhr würde die Temperatur des gesamten Erdreichs im Laufe der Jahre absinken, so dass niedrigere Soletemperaturen und entsprechend niedrigere Jahresarbeitszahlen resultieren. Deswegen sollten in solchen Fällen zusätzliche Maßnahmen für eine verbesserte Regeneration ergriffen werden. Eine Möglichkeit ist es, im Sommer überschüssige Wärme von Sonnenkollektoranlagen in die Sonden einzuspeisen. Wenn die Gebäude im Sommer gekühlt werden müssen (oder sonstige Kühlaggregate betrieben werden), kann die entstehende Abwärme ebenfalls über die Sonden in das Erdreich eingebracht werden (siehe unten). Im Idealfall halten sich die Wärmeentnahme im Winter und der Wärmeeintrag im Sommer ungefähr die Waage.

Es gibt Fälle, in denen ein Erdsondenfeld durch eine bewusst schwächer gewählte Wärmedämmung der Gebäude effizienter wird.

In manchen Fällen, wo im Sommer besonders viel Wärme anfällt, wird bewusst die Wärmedämmung der Gebäude schwächer ausgeführt, damit im Winter das Erdreich wieder genügend abgekühlt werden kann. Zumindest wenn die Leistungszahl der Wärmepumpen im Winter hoch ist (durch Verwendung von Niedertemperatur-Flächenheizungen), kann der resultierende Mehrverbrauch im Winter durch Einsparungen im Sommer in etwa kompensiert werden, so dass sich der Aufwand für verbesserte Wärmedämmung nicht lohnen würde. Solche Verhältnisse sind jedoch nicht typisch für Wohn- und Bürogebäude in Mitteleuropa, sondern treten eher auf, wenn entweder das Klima sehr warm ist oder aber z. B. Produktionsanlagen große Mengen von Abwärme erzeugen.

Eignung des Bodens

Nicht überall ist der Untergrund für Erdsonden geeignet. Insbesondere dürfen keine Anhydrid-Schichten durchstoßen werden. Dieses Material würde nämlich bei Eindringen von Wasser (als Folge der Bohrung) stark aufquellen. Die resultierenden Anhebungen der Oberfläche können schwere Gebäudeschäden verursachen. Solche treten allerdings nur sehr selten auf, da man in der Regel auf Erfahrungen mit der lokalen Geologie zurückgreifen kann und notfalls auch geeignet reagieren kann, wenn man beim Bohren unerwartet auf Anhydrid stößt.

In Grundwasserschutzgebieten dürfen im Allgemeinen keine Erdsonden installiert werden. Ähnliches gilt für Gebiete, in denen bergmännische Aktivitäten verfolgt werden.

Auch in für Erdsonden geeigneten Gebieten ist oft eine behördliche Genehmigung nach Vorlage der Planungsunterlagen notwendig. So wird vor allem sichergestellt, dass eine Gefährdung des Grundwassers durch geeignete Technik vermieden wird.

Nutzung von Erdwärmesonden für die Kühlung im Sommer

Erdwärmesonden sind ziemlich ideale Senkeb für überschüssige Wärme im Sommer. Sie erlauben die Kühlung mit geringem Energieaufwand.

Sole-Erdsonden sind im Sommer auch gut für die Kühlung (Klimatisierung) des Gebäudes nutzbar. Hierfür wird die Wärme z. B. aus einer Fußbodenheizung ohne Benutzung der Wärmepumpe in die Erdsonde abgegeben, d. h. es wird der Fußboden mit Hilfe der kühlen Sohle gekühlt. Der Energieaufwand ist im Vergleich zu dem für eine Klimaanlage mit Kältemaschine sehr gering (“free cooling”), da lediglich zwei Pumpen (für Heizwasser und Sole) betrieben werden müssen. Dieser geringe Energieaufwand kann sogar noch kompensiert werden dadurch, dass die aufgewärmte Umgebung der Sonde später, wenn wieder Wärme benötigt wird, einen effizienteren Wärmepumpenbetrieb ermöglicht.

Auch überschüssige Wärme von einer Solaranlage kann im Sommer über eine Erdwärmesonde abgegeben werden.

Bei vielen gewerblichen Bauten steht der Aspekt der sommerlichen Kühlung im Vordergrund, während im Winter viel Abwärme z. B. von Geräten und Maschinen für die Beheizung zur Verfügung steht. Es kann dann sinnvoll sein, die Wärmedämmung des Gebäudes eher schwach auszuführen. Dann entnimmt die Wärmepumpenheizung nämlich dem Erdreich im Winter mehr Wärme, so dass im Sommer die Kühlung erleichtert wird. Bei reinen Wohngebäuden dagegen ist der Energieaufwand für die Beheizung viel höher, oft sogar die sommerliche Kühlung ganz unnötig, so dass eine gute Wärmedämmung sinnvoll ist.

CO2-Erdsonden mit Direktverdampfung

Direktverdampfer-Sonden mit CO2 haben energetische Vorteile, sind aber auch aufwändiger.

Es gibt auch spezielle Erdsonden, die mit Kohlendioxid (CO2) anstelle einer Sole arbeiten. Die Sonde, ein einfach ausgeführtes Rohr (kein Doppelrohr), arbeitet dann als ein Wärmerohr (heat pipe), in dem das Kohlendioxid wegen des hohen Drucks von ca. 45 bar teilweise flüssig und teilweise gasförmig ist. In der Sonde verdampft Kohlendioxid unter Wärmeaufnahme aus dem Erdreich. Weil das Kohlendioxid gleichzeitig als Kältemittel der Wärmepumpe dient, spricht man von Direktverdampfung. Das in der Wärmepumpe wieder verflüssigte Kohlendioxid läuft an den Wänden der Sonde nach unten, um dort erneut verdampft zu werden.

Der Kohlendioxid-Kreislauf benötigt keinen aktiven Antrieb, also auch keine Antriebsenergie wie bei anderen Sonden für eine Umwälzpumpe. Ebenfalls entfällt ein Wärmeübertrager und die sonst nötige Solepumpe, was zur Energieeffizienz beiträgt; Jahresarbeitszahlen oberhalb von 5 sind möglich. Die Nutzung zur Kühlung im Sommer (siehe oben) ist allerdings mit solchen Systemen nicht möglich, und die Installation ist relativ teuer, da für die Sonde ein Rohr aus Edelstahl oder Kupfer benötigt wird anstelle von Kunststoff wie bei Sole-Systemen.

Erdwärmesonden-Heizung für Neubauten

Für neue Gebäude bietet sich die Erdwärmesonden-Heizung aus mehreren Gründen besonders an:

Die Erdwärmesonden-Heizung ist für Neubauten besonders interessant.

In aller Regel wird eine Elektrowärmepumpe verwendet, aber auch beispielsweise eine Gas-Absorptionswärmepumpe käme in Frage.

Nachträgliche Installation einer Erdwärmesonden-Heizung

Eine Erdwärmesonden-Heizung kann auch nachträglich installiert werden, z. B. als Ersatz für eine Ölheizung. Der Platzbedarf neben dem Gebäude, um eine oder mehrere Erdwärmesonden zu installieren, ist relativ gering, und danach kann die Fläche wieder praktisch beliebig genutzt werden. Da die Wärmequellentemperatur deutlich höher ist als bei Luft/Wasser-Wärmepumpen, die kalte Außenluft nutzen, sind auch etwas höhere Vorlauftemperaturen akzeptabel, wie sie für Heizkörper benötigt werden. Wesentlich besser ist freilich eine Flächenheizung, z. B. in Form einer Fußbodenheizung.

Eine umfassende energetische Sanierung macht eine Wärmepumpenheizung beim Altbau oft erst möglich.

Problematisch ist der hohe Wärmebedarf von nicht energetisch sanierten Gebäuden, weil dann oft mehrere tiefe Sonden benötigt werden. Die Kosten sind dann entsprechend hoch. Wesentlich kostengünstiger lässt sich die Wärmepumpenheizung in Verbindung mit einer energetischen Sanierung (bzw. nach einer solchen) realisieren, weil dann z. B. dreimal weniger Sondenlänge benötigt wird. Gleichzeitig verbessert die dann niedrigere Vorlauftemperatur der Heizungsanlage die Effizienz der Wärmepumpe.

Aus diesen Überlegungen wird klar, dass die Installation einer Erdwärmesonden-Heizung nicht besonders als Ersatz für eine energetische Sanierung des Gebäudes geeignet ist, sondern vielmehr als eine gute Ergänzung dazu.

Erdwärmesonden für Lüftungsanlagen

Eher selten werden recht kleine Erdwärmesonden mit einer Länge von nur einigen Metern für die Nutzung mit einer Lüftungsanlage gebaut. Hier geht es darum, angesaugte Frischluft mit Hilfe von Erdwärme etwas vorzuwärmen, so dass ihre Temperatur auch an kalten Wintertagen nicht weit unter 0 °C absinken kann. Hiermit wird eine Vereisung des Wärmeübertragers für die Wärmerückgewinnung vermieden, wozu sonst oft ein elektrisches Heizregister benötigt wird.

Da der Aufwand auch für eine kleine Erdsonde nicht unerheblich ist, wird diese Technik vor allem an recht kalten (z. B. hoch gelegenen) Standorten verwendet. An tiefer gelegenen Standorten z. B. in Deutschland wird ein elektrisches Heizregister nämlich so selten benötigt, dass sich die Investition in eine Erdsonde nicht lohnt.

Literatur

[1]Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme mit Erdwärmesonden vom Umweltministerium Baden-Württemberg, http://www.um.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/17495/Leitfaden_-_Nutzung_von_Erdwaerme.pdf?command=downloadContent&filename=Leitfaden_-_Nutzung_von_Erdwaerme.pdf
[2]Ratgeber Wärmepumpenheizung: So finden Sie die richtige Variante!

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Wärmepumpenheizung, oberflächennahe Geothermie, Erdregister, free cooling, Direktverdampfung und Direktkondensation
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Haustechnik, Wärme und Kälte

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