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Erdwärmesonde

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 im einfachsten Fall zwei Rohre, die ganz unten miteinander verbunden sind, so dass die Sole im einen Rohr absinken und im anderen wieder aufsteigen kann (U-Sonde). Häufig werden auch Doppel-U-Sonden eingesetzt, die insgesamt vier Rohre enthalten (zwei für jede Strömungsrichtung) und von der Geometrie her ein rundes Bohrloch besser ausfüllen können. Es gibt auch koaxiale Sonden (siehe unten) mit einem dünneren Innenrohr innerhalb einer größeren Sonde.

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. Um Wärmeverluste in der obersten Bodenschicht zu vermeiden, die häufig von Frost betroffen ist, können die oberen ein oder zwei Meter gegenüber dem Erdreich etwas isoliert werden. Die Verbindungsleitungen zur Wärmepumpe werden wenn möglich am besten in genügend großer (frostsicherer) Tiefe verlegt.

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.

Installation

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.

Frostschutz

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.

Unter besonderen Umständen kann auf den Frostschutz verzichtet werden – etwa bei Sonden, die besonders tief reichen und im Sommer durch Wärmezufuhr gut regeneriert werden.

Koaxiale Sonden

Doppel-U-Sonden sind der am meisten verbreitete Typ; teilweise werden auch Einfach-U-Sonden verbaut. Es gibt ansonsten auch ganz anders gebaute koaxiale Erdwärmesonden, bei denen die Sole im äußeren Bereich absinkt und dabei Wärme aus den Erdreich aufnimmt, und dann durch ein wärmeisoliertes Rohr im Inneren erwärmt wieder aufsteigt. Der Vorteil ist besonders bei recht tiefen Sonden (z. B. 300 m), dass eine höhere Temperatur der gewonnenen Sole möglich ist, was zu einer erhöhten Effizienz der Wärmepumpe führt.

Eine koaxiale Sonde kann mit einer flexiblen Membran realisiert werden, die durch den Wasserdruck ausgeweitet wird und sich dadurch an die Bohrlochwand anlegt. Eine Hinterfüllung ist hier nicht nötig. Ein anderes System arbeitet mit einem Wellrohr.

Wohl wegen der höheren Kosten und anscheinend auch Problemen mit der Beständigkeit sind koaxiale Sonden bislang nicht sehr verbreitet.

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 bezogen auf die Sondenlänge begrenzt werden. Gut geeignete (z. B. feuchte lehmige) Böden erlauben eine deutlich höhere Wärmeentnahme (u. U. 70 Watt pro Meter) als trockene, sandige Böden (teils unter 30 W/m).

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 mit 50 W/m eine Sondenlänge von ca. 200 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 im allgemeinen 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 5 bis 10 Meter, damit die von einer Sonde resultierende Abkühlung des Bodens die anderen nicht zu sehr beeinflusst.

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. Die dann nötige größere Wandstärke behindert auch wieder den Wärmeübergang, sodass die Effizienz am Ende nicht zwangsläufig höher ist.

Eine eher großzügige Bemessung der Erdwärmesonde(n) ist energetisch günstig; eine zu knappe Bemessung sollte unbedingt vermieden werden, weil sonst die Temperaturen im Winter zu stark abfallen und die Leistungszahl der Wärmepumpe leidet. Der Nachteil einer Überdimensionierung sind lediglich etwas höhere Kosten, abgesehen vom etwas höheren Druckverlust.

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; Regeneration des Erdreichs

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.

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.

Druckverlust

Im Betrieb muss die Sole von einer Pumpe beständig umgesetzt werden. Hierfür spielt der hohe hydrostatische Druck am Grund der Sonde keine Rolle. Jedoch gibt es Reibungsverluste, die sich in einem Druckverlust äußern und für den Energieverbrauch für die Pumpe relevant sind.

Als Beispiel betrachten wir eine 200 m lange Sonde, der eine Wärmeleistung von 10 kW bei einer Temperaturspreizung von 5 K entnommen werden soll. Hierfür wäre bei reinem Wasser ein Volumenstrom von ca. 1,7 m³/h nötig. Wegen der etwas geringeren Wärmekapazität der Sole muss man den Volumenstrom auf ca. 1,9 m³/h erhöhen. Unter diesen Bedingungen erzeugt eine moderne Erdwärmesonde einen Druckverlust in der Größenordnung von 1 bis 4 mbar pro Meter, also 200 bis 800 mbar für 200 m Sondenlänge. Das wäre also die Druckdifferenz, die die Solepumpe überwinden muss. Ein weiterer Betrag von z. B. 100 mbar kommt noch hinzu im Wärmeübertrager des Verdampfers der Wärmepumpe, so dass wir von 300 bis 900 mbar insgesamt ausgehen.

Aus dem Produkt des gesamten Druckverlusts mit dem Volumenstrom ergibt sich die nötige Pumpleistung für den hypothetischen Fall einer ideal effizienten Pumpe: im günstigeren Fall 300 mbar · 1,9 m³/h = 30 kPa · 0,528 ·10⁻³ m³/s = 24,8 W. Dies ist im Vergleich zu entnommenen Wärmeleistung marginal. Allerdings sind reale Pumpen bei weitem nicht perfekt effizient (v. a. bei nicht perfekter Dimensionierung), weswegen die elektrische Antriebsleistung in der Praxis auch 50 bis 100 W betragen könnte. Im ungünstigsten Fall mit 900 mbar wäre es das Dreifache – aber immer noch akzeptabel im Vergleich zu entnommenen Wärmeleistung und auch ziemlich wenig im Vergleich zum Verbrauch des Kompressors der Wärmepumpe, der in der Größenordnung von 2000 W liegt.

Man sieht also, dass der Energieverbrauch für die Solepumpe im Prinzip fast vernachlässigbar klein sein kann, unter nicht idealen Umständen allerdings doch spürbar zum Gesamtverbrauch beiträgt.

Nutzung von Erdwärmesonden für die Kühlung im Sommer

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

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:

• Neue Gebäude haben wegen der verbesserten Wärmedämmung einen viel niedrigeren Heizwärmebedarf als die meisten älteren Gebäude. Dadurch werden weniger Bohrmeter für die Sonde(n) benötigt, was die Kosten senkt.
• Zwar entstehen immer noch wesentliche Kosten für eine Erdsonde, aber dafür werden Kosten für einen Schornstein eingespart (falls nicht für einen Holzofen doch ein Schornstein benötigt wird). Auch ein Tankraum muss nicht angelegt werden. Man beachte, dass die Kosteneinsparung durch den geringen Platzbedarf im Keller massiv sein kann.
• Beim Neubau kann problemlos eine Fußbodenheizung oder eine andere Flächenheizung realisiert werden, während die Umrüstung darauf bei Bestandsgebäuden sehr aufwendig wäre.

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.

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.

Siehe auch: Wärmepumpenheizung, oberflächennahe Geothermie, Erdregister, free cooling, Direktverdampfung und Direktkondensation