Erdwärmesonden in der Praxis. Informationen für Planer, Installateure und Bauherren.
Verantwortlich und zukunftsfähig: praktizierter Umweltschutz
Verantwortlich und zukunftsfähig: praktizierter Umweltschutz
Alle gesellschaftlich relevanten Kreise sind sich darüber einig, dass der Treibhauseffekt verringert werden muss – wenn auch die Wege zu diesem Ziel unterschiedlich beurteilt werden.
Weitgehend unbestritten ist, dass der Einsatz von wertvollen Ressourcen verringert werden muss, weil die Vorräte fossiler Energieträger begrenzt sind und mit jeder Verbrennung klimaschädigende CO2-Emmissionen freigesetzt werden.
Schonung der Ressourcen
Will man Ressourcenschonung wirkungsvoll betreiben, muss man sich auch bewusst machen, wo die meiste Energie verbraucht wird und in welchem Energieschutzbereich sich solche Maßnahmen am erfolgreichsten – ökonomisch sinnvoll – umsetzen lassen. In Deutschland wird die meiste Energie in den Haushalten verbraucht und zwar insbesondere in jeglicher Form von Wärme, vor allem bei der Raumheizung. Damit ist jeder einzelne Bürger betroffen und gefordert.
Reduzierung des Energieverbrauchs
Grundsätzlich gibt es neben dem Energieverzicht nur zwei Wege zur Energieeinsparung: nämlich
- die Verbesserung der Effizienz des Einsatzes durch Verringerung aller Verluste von der Primär-zur Nutzenergie und
- die Energierückgewinnung sowohl am Ort der Nutzung als auch aus der Umwelt. Diese nämlich nimmt am Ende jedes Umwandlungsprozesses die vom Menschen produzierte Abwärme oder die aus der Natur stammende Wärme auf.
Im Bereich der Raumwärme hat daher die Verringerung der Verluste durch wärmesparende Bauweisen und/oder bessere Dämmung der Außenhülle oberste Priorität. Erfolgt zusätzlich noch eine Wärmerückgewinnung aus der Umwelt mittels Wärmepumpe, können erhebliche Sparpotenziale ausgeschöpft werden.
Einfach und genial: die Erdwärmepumpe
Einfach und genial: die Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe (WP) funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank. Er transportiert die Wärme des Innenraums nach außen, wodurch die Temperatur im Innenraum abgesenkt wird.
Bei der WP wird einem Umwelt-Medium (Luft, Wasser, Erde) Wärme entzogen und an ein anderes Medium (Heizungswasser) weitergegeben, wobei sich dessen Temperatur erhöht.
Gewinnbringender Kreislauf
Die WP besteht im Wesentlichen aus vier Bauteilen: Verdampfer, Verflüssiger (Kondensator), Expansionsventil und Kompressor. Diese Hauptbestandteile sind in einem Kreislauf miteinander verbunden. Der Kreislauf wird durch ein Medium (Kältemittel genannt) durchströmt, das bei jedem Umlauf zweimal seinen Aggregatzustand, seine Temperaturen und Drücke verändert und dabei Wärme aus der Umgebung aufnimmt bzw. an diese abgibt.
Das nebenstehende Schaubild veranschaulicht die Veränderungen während des Kreislaufprozesses.
In den Kompressor strömt das gasförmige Kältemittel mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur. Ähnlich einer Fahrradluftpumpe saugt der Kompressor das gasförmige Kältemittel an und Komprimiert es. Durch Reibung der Moleküle erwärmt sich das Gas auf 80-90°C, wobei der Druck erheblich ansteigt.
Beim Durchströmen des Verflüssigers, der vom Heizungswasser „gekühlt“ wird, überträgt das Kältemittel den größten Teil seiner Temperatur auf das Heizungswasser (Wärmeübertragung) und kondensiert dabei. Das immer noch unter hohem Druck stehende, nunmehr flüssige Kältemittel verliert im Expansionsventil schlagartig seinen Druck, strömt in den Verdampfer und wird wieder gasförmig. Seine Temperatur fällt unter den Nullpunkt ab. Dabei nimmt das Gas begierig Wärme aus seiner Umgebung auf und die Wärmequelle (z.B. die Sole) wird abgekühlt. Der Kreislauf schließt sich, wenn das Kältemittelgas wieder den Kompressor erreicht hat und der Prozess von Neuem beginnt.
Vorteil – vierfacher Gewinn: Energie wird lediglich zum Antrieb des Kompressors und damit zur Aufrechterhaltung des Kreisprozesses benötigt. Der Wärmeübertrag von der Sole zum Heizungswasser erfolgt ohne extreme Energiezufuhr, so dass mit einer Einheit Antriebsenergie zusätzlich vier Einheiten kostenlos aus der Umwelt gewonnen werden ()Leistungszahl: 1+4=5.
Wärme aus der Erde: die Erdwärmepumpe
Jede Wärmepumpe benötigt eine Wärmequelle, der sie Umweltwärme entziehen kann. Besteht die Wärmequelle aus der Umgebungsluft (Außenluft), wird sie als „Luftwärmepumpe“ bezeichnet, werden die Energiepotenziale des Grundwassers erschlossen, spricht man von einer „Wasserwärmepumpe“.
Die Erdwärmepumpe ist demzufolge eine Wärmepumpe, welche die oberflächennahe Wärme der Erde nutzt, wobei es zwei unterschiedliche Formen gibt:
- durch horizontale Flächenkollektoren (Kunststoffrohre, ähnlich wie bei einer Fußbodenheizung), die in etwa 1,5 m Tiefe im Erdboden verlegt werden, Flächenbedarf: etwa das Zweifache der zu beheizenden Wohnfläche.
- durch senkrecht in den Boden eingelassene Erdwärme-Sonden (EWS), deren Funktionsweise im folgenden behandelt wird.
Funktionsweise einer Heizung mit Erdwärme-Sonden
In den Bohrungen, deren Tiefe zwar auch von den geologischen Verhältnissen, aber im wesentlichen von dem Wärmebedarf des zu beheizenden Objektes abhängig ist, werden U-förmige Doppel-Sonden eingebracht, die durch eine eingepresste Suspension fest mit dem umgebenden Erdreich verbunden sind. Durch die Sonden wird „Sole“ gepumpt. Dabei handelt es sich um Wasser, das aus Frostschutzgründen mit einer umweltverträglichen Glykollösung angereichert ist.
Die aus dem Heizsystem kommende Sole ist kälter als die Rohrwandung bzw, als das die Sonde umgebende Erdreich (z.B. 5°C). so dass sie beim Herunterpumpen und Aufsteigen dem Erdreich Wärme entzieht – mit der Folge, dass die Soletemperatur z.B. auf 10°C ansteigt. Mit dieser Temperatur erreicht die Sole die Oberfläche.
Auf den Punkt gebracht: Bei Wärmepumpen mit Erdwärme-Sonden wird mit einem unbedenklichen Frostschutzmittel versetztes Wasser (sog. Sole) in die Tiefe der Bohrungen gepumpt. Die Sole nimmt dabei die Wärme des Erdreichs durch Temperaturanstieg auf und gibt sie an die Wärmepumpe ab. Durch die Wärmeabgabe sinkt die Sole-Temperatur wieder. Die abgekühlte Sole wird in die Erde hinabgepumpt und der Kreislauf beginnt von neuem. Da es sich dabei um ein geschlossenes System handelt, sind für den Sole-Kreislauf die im Heizungsbau üblichen Druck-Überwachungseinrichtungen erforderlich.
Technologie mit Trümpfen: Vorteile für den Betreiber
Technologie mit Trümpfen: Vorteile für den Betreiber
Für alle Wärmepumpen gilt:
Die Leistungsziffer einer WP hängt im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur auf der Aufnahmeseite (Quelle) und der Abgabeseite (Senke = Vorlauftemperatur des Heizsystems) ab. Je kleiner die Differenz ist, um so höher ist die Leistungsziffer!
1. Temperaturkonstanz der Wärmequelle
Bei Erdwärme ist die Temperatur ab etwa 15 m Tiefe unabhängig von jahreszeitlichen Schwankungen an der Oberfläche gleich (10°C). Zusätzlich erhöht sie sich durchschnittlich um ca. 3 Grad je 100m Tiefe.
2. Höhere Quellentemperatur
An Tagen mit dem höchsten Wärmebedarf sinken die Temperaturen an der oberflächennahen Wärmequellen erheblich ab. Dann muss die Wärmepumpe sehr hohe Drücke aufbauen, um den Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur der Heizung zu überwinden. Dies wiederum hat zur Folge, dass der Stromverbrauch der WP steigt. Bei Wärmepumpen mit Erdwärme-Sonden kommt dieser Nachteil nicht zum tragen.
3. Günstige Leistungsziffer
Geht man von üblichen Auslegungen für die Heizverteilsysteme (Fußbodenheizung Tv = 35°C, Radiatoren Tv = 55°C) aus, so zeigt das Diagramm, dass z.B. eine Luftwärmepumpe an Tagen mit Außentemperaturen um -5°C eine Leistungsziffer von 2,6 bis knapp über 4 erreichen kann. Die Wärmepumpe mit EWS erreicht bei gleichen Voraussetzungen ein Leistungszifferniveau von 3,9 bis 5,8. Diese Werte sind naturgemäß theoretisch, da noch weiter Faktoren einen Einfluss auf die Höhe der Leistungszahl haben. Dennoch: die Tendenz zu Gunsten der Erdwärmepumpe ist klar erkennbar.
Auf den Punkt gebracht: Gegenüber anderen Wärmequellen nutzen Wärmepumpen mit Erdwärme-Sonden den physikalischen Vorteil, dass ihre Wärmequelle ganzjährig eine konstante Temperatur mit hohem Temperaturniveau darstellt. Das hat klare Vorteile hinsichtlich der Dimensionierung und des Stromverbrauchs. Wichtig ist jedoch, dass die EWS auch nicht zu knapp ausgelegt ist.
Die Heizleistung einer WP setzt sich zusammen aus dem Leistungsanteil, der dem Erdreich entnommen wird (sog. Kälteleistung), und der Antriebsenergie für den Kompressor, die als Reibungsenergie der Moleküle mit in die Heizenergie eingeht.
Die auf dem Typenschild einer WP angegebenen Bezeichnungen geben dem Insider Informationen über die Einsatzmöglichkeiten und die Temperaturen, für die die Nenn-Heizleistung der WP ausgelegt ist. L = Luft, W = Wasser, B = Erdwärme.
Ein Beispiel: „B0/W35“ ist eine Erdwärmepumpe mit Wasser als Heizmedium. „0“ bedeutet, dass die Auslegungstemperatur der Sole 0°C beträgt. Es handelt sich also um eine WP, die für horizontale Erdkollektoren vorgesehen ist. „35“ ist die Heizwasservorlauf-Temperatur von 35°C, weist also auf eine Fußbodenheizung hin.
Da bei richtig geplanten Erdwärme-Sonden die Quellentemperatur immer > 0°C ist, ist die Nennleistung der WP höher als bei einer WP, die für Erdwärmekollektoren eingesetzt wird.
Je tiefer, desto wirkungsvoller
Das Beispiel zeigt, dass eine Erdwärmepumpe mit der Nenn-Heizleistung von 6 kW bei einer mittleren Sole-Temperatur von 7°C und einer Fußbodenheizung in Wirklichkeit 7,8 kW an Heizleistung abgibt. Folge: Die WP kann um 20 bis 25% kleiner ausgelegt werden.
Vor diesem Hintergrund ist es daher sinnvoll, größere Bohrtiefen anzustreben. So kann die WP in der Dimensionierung und bezüglich der Betriebskosten (Stromverbrauch) optimal ausgelegt werden. Zusätzlich erhöht sich damit die Lebensdauer der Erdwärmesonde, weil sie schonender betrieben werden kann.
Auf den Punkt gebracht: EWS nutzen höhere Quellentemperaturen, somit kann die Wärmepumpe kleiner ausfallen und ist daher in der Anschaffung günstiger. Die hohen Quellentemperaturen wirken sich auch sehr positiv auf den Wirkungsgrad/die Leistungsziffer und somit auf die Betriebskosten aus.
Intelligent und ausgereift: die Technik der Erdwärmesonde
Intelligent und ausgereift: die Technik der Erdwärmesonde
Die eingesetzten Sonden
Die Erdwärmesonde besteht aus zwei doppelten Rohrleitungen (Doppelsonde). Entweder erfolgt die Umlenkung am unteren Ende (Sondenfuß) durch ein eingeschweißtes U-Stück, das durch eine Schrumpfkappe mechanisch geschützt wird, oder durch einen massiven Sondenfuß, in dem die U-förmige Umlenkung eingefräst ist.
In der Mitte der Rohrbündel ist ein Injektionsrohr angebracht, durch das nach dem Einbringen der Sonde eine Bentonit/Zementmischung gepresst wird. Bei Sondentyp 2 fehlt das Injektionsrohr. Die Injektion erfolgt über ein unten offenes Stahlgestänge, dass nach der Verpressung wieder entfernt wird.
Perfekt ins Erdreich eingebunden
In beiden Fällen füllt die Injektion das Bohrloch von unten nach oben. Die Bentonit/Zementmischung fließt dabei zwischen den Sondenrohren hindurch in alle Ritzen und Spalten. So wird eine vollständige Verbindung der EWS mit dem umgebenden Erdreich gewährleistet. Eventuell vorhandene wasserführende Schichten werden gegeneinander abgedichtet.
Auf der Baustelle wird vor und unmittelbar nach dem Sondeneinbau jede Sonde – auch jene, die möglicherweise schon vom Hersteller mit einem entsprechenden Testat versehen ist – durch eine Druckprobe (mit dem 5 bis 10fachen des späteren Betriebsdrucks) auf Dichtheit überprüft.
Auf den Punkt gebracht: Da an einer Erdwärme-Sonde keine späteren Nachbesserungen möglich sind, muss die Einbindung ins Erdreich besonders sorgsam erfolgen. Die Druckprüfungen, die Verpressung mit einer gut wärmeleitenden Suspension und die notwendigen Abdichtungen zwischen evtl. vorhandenen Grundwasserschichten sind unabdingbare Voraussetzungen für eine dauerhafte Funktion der EWS.
Die Verlängerung der Erdwärmesonden
Nach dem Einbau der Erdwärmesonden (EWS) stehen die Rohre ca. 1 m über dem Terrain. Um die Rohre ins Haus zu führen, müssen sie entsprechend verlängert werden.
Es sind zwei Arten der Verlängerung der Erdwärmesonden (EWS) üblich:
- Direkte Verlängerung: Die EWS wird direkt verlängert, d. H. jedes Rohr wird einzeln zu den Verteilern im Haus geführt. So müssen pro EWS vier Rohre bis ins Gebäude verlängert werden (zweimal Vor- und Rücklauf).
- Kombinierte Verlängerung: Es werden jeweils Vor- bzw. Rücklauf der beiden Solekreisläufe mit Y-förmigen Formteilen am freien Sondenende zu einem gemeinsamen Vor- und Rücklauf zusammengefasst und so ins Gebäude geführt. So ist pro EWS nur ein Vor- und Rücklauf am Verteiler anzuschließen.
Liegt das Ende der Sonde höher als der Verteiler, ist eine Entlüftungsmöglichkeit vorzusehen. Die horizontalen Verlängerungen sollten in der Regel mit einer Steigerung von 1 bis 2% zum Haus hin verlegt werden.
Die Verbindungen mit den Sondenrohren werden mit Hilfe vorgefertigter Verbindungsmuffen hergestellt. Diese verfügen über eine eingebaute Heizwicklung und werden von einem vollautomatisch arbeitenden Schweißgerät dauerhaft verschweißt (selbständige Festlegung der Höhe und Dauer des Schweißstroms per Scanner).
Die Verlegung der Verlängerungsrohre sollte in einem Sandbett erfolgen. Nach der Verlegung der EWS-Verlängerung und vor der Verfüllung des Erdreichs ist eine weitere Druckprobe erforderlich.
Auf den Punkt gebracht: Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten, eine EWS zu verlängern. Wichtig ist, dass eine zuverlässige Verschweißung der Verbindungen erfolgt und die waagerechten Rohrleitungen mit Steigung zum Haus in einem Sandbett verlegt werden.
Weitsichtige Konzeption: Planung und Voraussetzungen
Weitsichtige Konzeption: Planung und Voraussetzungen
Eine EWS-Anlage kann dauerhaft nur dann gewinnbringend arbeiten, wenn alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind. Planungsfehler können zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr oder nicht mehr vollständig korrigiert werden. Daher ist es sehr wichtig, dass Planung und spätere Ausführung „aus einem Guss“ sind und von einer erfahrenen Fachfirma vorgenommen wird.
Richtige Auswahl des Unternehmens
Gehen Sie als Bauherr bei der Auswahl keine „faulen Kompromisse“ ein. Achten sie auf Qualität und sparen sie nicht am Herzstück der Heizanlage: der Erdwärmesonde. Lassen sie sich zeigen, mit welcher Entzugsleistung (Kälteleistung) der Anbieter die Sonden belastet und stellen sie fest, ob der Anbieter das Kostenrisiko des Bohrens übernimmt oder dem Bauherrn anlastet (Festpreis oder nicht). Fragen sie nach, wie die Verfüllung der Sonde erfolgt.
VDI-Richtlinie 4640 (Thermische Nutzung des Untergrundes)
Die Auslegung und Ausführung der Erdwärmesonde erfolgt bei uns gemäß der betreffenden Richtlinie
Genehmigung
Für die Bohrung benötigen sie entweder nur eine wasserrechtliche Anzeige oder eine Genehmigung der zuständigen Wasserbehörden. Bei Bohrungen über 100 m Tiefe ist zusätzlich die Zustimmung der Bergbehörden erforderlich. Leider ist das Genehmigungsverfahren in den einzelnen Bundesländern unterschiedlich geregelt. Daher empfiehlt es sich, den Planer oder die Bohrfirma mit der Beschaffung der erforderlichen Unterlagen zu beauftragen. Wir übernehmen diese Aufgabe für sie.
Wärmebedarf des Objekts
Die aus dem Wärmebedarf resultierende Heizleistung ist die wichtigste Größe für die Auslegung, weil die Kosten sehr stark linear von der Heizleistung abhängig sind. Der Bedarf ist daher möglichst genau zu ermitteln. Dabei ist es allerdings nicht ratsam, zu viel Reserve in diesen Wert einzubauen. Denn einerseits enthalten die entsprechenden Berechnungsnormen bereits ein gewisses Sicherheitspolster und andererseits hat die Anlage bei richtiger Dimensionierung auch selbst noch gewisse Reserven.
Art und Vorlauftemperaturen des geplanten Wärmeverteilsystems
Es ist wichtig zu wissen, ob das Heizsystem im Haus eine Radiatoren- oder Fußbodenheizung oder eine Kombination aus beidem ist. Entscheidend ist dabei, mit welchem maximalen Vorlauftemperaturen gerechnet werden muss.
Warmwasserbereitung
Wärmepumpen mit Erdwärmesonden können auch die Warmwasserbereitung übernehmen. Dabei empfiehlt es sich, einen Warmwasserspeicher (WW) zu verwenden, der einen möglichst großen Wärmetauscher enthält.
Hinweis: Wegen der Gefahr der Legionellenbildung wird gelegentlich empfohlen, den WW-Speicher immer mit >60°C zu betreiben, obwohl für das Brauchwasser im Haushalt eigentlich nur maximal 40-50°C benötigt werden. Da Legionellen sich nur nach längeren Stillstandzeiten und nur an Stellen mit Zugang zur Umgebungsluft (Brausetasse) bilden können, ist eine solche Maßnahme im Dauerbetrieb nicht erforderlich, sondern allenfalls nach längerem Stillstand der Anlage (z.B. nach dem Urlaub).
Kluge Investition: hohe Wirtschaftlichkeit
Kluge Investition: hohe Wirtschaftlichkeit
Anschaffungskosten
Die nebenstehende Grafik nennt bewusst keine Zahlen, sondern nur Tendenzen. Generell gilt folgende Aussage: Wärmepumpe und Heizkessel liegen preislich in etwa in der gleichen Größenordnung. Durch die zusätzlichen Kosten für die Erdsondenbohrung, die in der Regel höher sind als die Zusatzkosten bei Öl oder Gas (Öltanks bzw. Gasanschluss, Kamin), können die Anschaffungskosten bei EWS-Systemen höher liegen. Bei Häusern mit niedrigem Wärmebedarf und bei rechtzeitger Planung wird die Investition für die EWS-Heizung nicht teurer als eine konventionelle Anlage sein.
Gesamtkosten
Eine gute Leistungskennziffer sorgt für niedrige Energiekosten, weil nur etwa 20 bis 25% als Antriebsenergie (Strom) benötigt werden. Preislich bedeutet dies, dass dem Betreiber nur ca. ein Drittel bis maximal die Hälfte der Energiekosten, die bei einem Einsatz fossiler Energieträger anfallen, entstehen. Außerdem treten kaum Wartungskosten auf (z.B. kein Schornsteinfeger). Deshalb sind trotz möglicherweise höherer Anschaffungskosten die jährlichen Gesamtkosten erheblich niedriger.
Auf den Punkt gebracht: Trotz möglicherweise höherer Anfangsinvestitionen führt eine EWS-Heizung durch die gute Leistungsziffer und den daraus resultierenden geringen Stromverbrauch zu niedrigen jährlichen Betriebskosten.
