Nahe der Erdoberfläche sind die Temperaturen relativ niedrig. In Deutschland betragen sie auf den ersten 100 Metern kühle 7 - 12 °C. Hier noch von Erdwärme zu sprechen, mag auf den ersten Blick ein wenig übertrieben scheinen. „Wärme“ ist aber ein relativer Begriff. Gewöhnlich definieren wir Menschen damit einen Temperaturbereich zwischen „Kälte“ und „Hitze“, in dem wir uns wohlfühlen. Vom absoluten Nullpunkt von -273,15 °C aus betrachtet, beginnt die „Erwärmung“, wenn dieser Zustand verlassen wird und der Gehalt an Energie zunimmt. In Temperaturen von 7 °C steckt also für unsere Zwecke nutzbare Energie, auch wenn der menschliche Körper ein solches Umfeld als „kühl“ betrachten dürfte.
In weit über 150 000 Gebäuden, in Ein- oder Mehrfamilienhäusern, in Wohnblocks, öffentlichen Einrichtungen, Verwaltungen, Krankenhäusern und Schulen oder in Gewerbebetrieben finden sich (2008) überall in Deutschland Systeme, die auf intelligente Art und Weise aus der Erde aufsteigende Wärme nutzen, ohne aus großer Tiefe hohe Temperaturen an die Oberfläche zu fördern. Es geht auch in kleineren Dimensionen, aber nicht weniger effektiv.
Allerdings wird Wärme aus dem oberflächennahen Untergrund gewöhnlich nur mit Hilfe von Wärmepumpen genutzt, um eine Gebäude zu beheizen oder für Warmwasser zu sorgen. UM an die Energie aus dem Boden zu gelangen, wurde eine Vielzahl von technischen Lösungen entwickelt.
Grundwasserwärmepumpen: Abhängig vom Standort lässt sich Grundwasser über Brunnen entnehmen und direkt zur Wärmepumpe bringen. Es muss jedoch wieder in den Untergrund eingeleitet werden, so dass neben Förderbrunnen auch Schluckbrunnen einzurichten sind. Diese Systeme erfordern eine gewisse Pflege und häufig Filtereinrichtungen, die verhindern sollen, dass Fremdstoffe im Wasser die Schluckbrunnen verstopfen.
Grundwasserwärmepumpen lassen sich daher gewöhnlich erst aber einer Mindestgröße (ca. 35 kW Wärmebedarf) wirtschaftlich sinnvoll errichten. Dann sind sie jedoch durch die vergleichsweise hohen Wärmeleistungen pro Brunnenbohrung sehr günstig. Bei größeren Gebäuden sind Grundwasserwärmepumpen aber eine interessante wirtschaftliche Alternative. Steht genügend Grundwasser zur Verfügung können Grundwasserbrunnenanlagen in Verbindung mit Wärmepumpen auch zur Versorgung ganzer Wohngebiete eingesetzt werden.
Erdwärmekollektoren: Erdwärmekollektoren werden horizontal, also flach, normalerweise in 80 - 160 cm Tiefe verlegt. Wenn genügend Fläche zu Verfügung steht, kann man sich Bohrungen sparen. Erdwärmekollektoren haben allerdings den Nachteil, dass immer dann, wenn die Außentemperaturen sinken, auch der Boden am schnellsten auskühlt. Eine Wärmepumpe erhält daher bei Kopplung an einen Erdwärmekollektor gerade dann am wenigsten Energie aus der Erde, wenn das Haus am meisten davon benötigt. Sie sollten in einen Untergrund verlegt werden, der Feuchte halten kann. Überbauungen sind zu vermeiden, da auch die Wärmezufuhr aus dem Regenwasser von den Kollektoren zur Wärmeversorgung herangezogen wird.
Eine Variante sind Spiralkollektoren, sog. Erdwärmekörbe, die in entsprechenden Abständen in den Boden eingebracht werden und gewöhnlich weniger Aushubarbeiten erfordern. Rahmenbedingungen wie feuchter Untergrund oder die Körbe nicht zu überbauen gelten aber auch für diese Technologie.
In Mittel- und Nordeuropa haben sich Erdwärmesonden als häufigste Anlagentypen durchgesetzt. Ihr Flächenbedarf ist gering und sie nutzen ein konstantes Temperaturniveau. Zumeist werden Erdwärmesonden als senkrechte Bohrungen niedergebracht, in die man Rohre installiert. In Deutschland setzt man dafür zumeist Doppel-U-Rohre aus HDPE-Kunststoff ein. Diese sind mit einer Wärmeträgerflüssigkeit, normalerweise Wasser mit einem Frostschutzmittel, gefüllt, die die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und an die Oberfläche zur Wärmepumpe transportiert. Hierzulande werden Erdwärmesonden normalerweise in Tiefen zwischen 50 – 160 m abgeteuft. Eingesetzt werden sie in Anlagen unterschiedlicher Größe, angefangen bei ein oder zwei Sonden zur Beheizung kleiner Wohngebäude, bis hin zu Systemen zur Versorgung von Büro- und Gewerbebauten, ganzen Wohnanlagen usw. Auch komplette Wohngebiete lassen sich auf diese Weise versorgen.
Bei größeren Anlagen, für die die viele Erdwärmesondenlöcher gebohrt werden müssen, führt man vor der Erstellung eines solchen Sondenfeldes einen so genannten Geothermal Response Test durch. durchgeführt. Sie liefern Daten aus dem Umfeld der Bohrung, z. b. über die Wärmeleitfähigkeit des Bodens, also darüber, wie viel Wärme der Untergrund am Standort in einer bestimmten Zeit an die Bohrung heranbringen kann. Diese Tests sind für die Planung wichtig, weil mit ihren Ergebnissen verhindert werden kann, dass sich die einzelnen Sondenbohrungen in ihrer Leistung beeinträchtigen können.
Vor allem für Ein- und Zweifamilienhäuser sind diese Erdwärmesonden sehr beliebt. Ihre Anzahl hat in den vergangenen Jahren stark zugenommen. Ihr Marktanteil wächst vor allem im Neubaubereich stetig weiter.
Eine technische Variante der Erdwärmsonden, die in der letzten Zeit immer mehr von sich Reden macht, sind so genannte CO2-Erdwärmerohre. Sie bestehen aus einem druckfesten, flexiblen Edelstahl- oder Kupferrohr, das mit flüssigem und gasförmigem Kohlendixid gefüllt ist. Wie herkömmliche Sonden werden sie senkrecht in die Erde eingebracht. In dem Rohr befindet sich flüssiges Kohlendioxid, das durch die Aufnahme von Wärme aus dem Erdreich verdampft. Wegen seiner nun geringen Dichte steigt es im Innern des Rohres, ohne dass gepumpt werden muss, wieder nach oben. Im Kopf des Rohres befindet sich ein der Wärmepumpe angeschlossener Verdampfer, in dem die Wärme entzogen wird, das Gas dadurch kondensiert, d. h. sich wieder verflüssigt. Nun sinkt es wieder am Rohr herab und der Kreislauf beginnt wieder von vorn.
Mit dem GRD-Verfahren werden Erdwärmesonden von einem Schacht (Durchmesser und Tiefe ca. 1 m) aus strahlenförmig in verschiedene Richtungen und Neigungen bis in 30 – 40 m Tiefe auch unterhalb von Gebäuden abgeteuft.
Wegen ihres geringen Platzbedarfs eignen sich die Geräte besonders dort, wo beengte Geländeverhältnisse dem Einsatz größerer Bohranlagen Probleme bereiten oder ihn unmöglich machen, d. h. vor allem überall dort, wo bereits Grundstücke bebaut sind, also bei Heizungsumrüstungen und -modernisierungen. Die Bohrungen können in Länge, Lage und Neigung dem Zuschnitt des Grundstücks angepasst werden. Eingebaut werden Koaxialsonden. Als Wärmeträger in den Sonden kommt lediglich Wasser zum Einsatz. Das erhöht die Chance für die Genehmigung solcher Anlagen in Bereichen mit besonderem Trinkwasserschutz.
Erdberührte Betonbauteile, Energiepfähle: Betonbauteile lassen sich nicht nur als tragendes oder architektonisches Element einsetzen. Alles, was an Beton in den Boden eingebaut werden muss, lässt sich auch zu einem funktionsfähigen und wirtschaftlichen Heiz- und Kühlsystemen herrichten. Dafür werden bei der Errichtung des Gebäudes Wärmetauschrohre in den Beton eingebracht. Als Schlagwort für diese Technologie hat sich der Begriff „Energiepfahl“ durchgesetzt. Er rührt aus der Nutzung von Gründungspfählen zu Heizzwecken her. Eine Nachrüstung bereits vorhandener Betonflächen ist übrigens nicht möglich.
Der wirtschaftliche Vorteil ergibt sich vor allem daraus, dass nur solche Bauteile herangezogen werden, die aus statischen Gründen sowieso errichtet werden müssen. Der Mehraufwand dafür ist relativ gering. Bohrarbeiten wie bei Erdwärmesonden fallen nicht an.
Bei einer Vielzahl von Projekten wurde diese Technologie bereits erfolgreich angewendet. Insbesondere bei Hoch- und Industriebauten kommen solche geothermische Heiz- und Kühlsysteme zum Einsatz.
Ein kurzer Blick auf die Wärmepumpe
Die Effizienz erdgekoppelter Wärmepumpen ergibt sich aus ihrer Jahresarbeitszahl. Diese gibt die Einheiten Nutzenergie an, die im Verlauf eines Jahres aus einer Einheit Antriebsenergie, z. B, Strom erzeugt werden. Heute werden mit erdgekoppelten Systemen in Neubauten Jahresarbeitszahlen von bis zu 4 erreicht.
Die Wärmepumpe enthält ein Arbeitsmittel, das bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft, also zu Gas wird. Dieses Gas wird durch einen z. B. elektrisch angetriebenen Kompressor verdichtet. Dadurch erhöht sich der Druck und die Temperatur steigt. Ein Wärmetauscher nimmt die Wärme auf und gibt sie an das Heizsystem weiter. Das Gas kühlt ab und wird wieder flüssig. Der Druck wird über ein Expansionsventil abgebaut. Ein Kühlschrank arbeitet genauso, nur dass die kalte Seite genutzt wird.
In den Geräten steckt daher, ebenfalls vergleichbar zu einem Kühlschrank, wenig, was ausfallen könnte. Die Anlagen, die heute für den Markt produziert werden, sind sehr wartungsarm, arbeiten zuverlässig über mehr als zwei Jahrzehnte.
Am effizientesten arbeiten Wärmepumpen mit einer Vorlauftemperatur von bis zu 45 °C. Bei höheren Temperaturen verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Gesamtsystems, da mehr Strom eingesetzt werden muss. Bei Erdwärmeanlagen handelt sich also um Niedertemperatursysteme, die gewöhnlich großflächige Heizverteilsysteme, wie eine Fußbodenheizung benötigen. Für einen Neubau stellt das kein Problem dar. Sind allerdings in einem Altbau, der auf Erdwärme umgestellt werden soll, keine geeigneten Verteilsysteme vorhanden, kann man z. B. großflächige, sehr flache Niedertemperaturheizkörper installieren. Eine andere Möglichkeit bieten sog. Ventilatorkonvektoren. Dabei handelt es sich um Heizkörper, bei denen Ventilatoren die Wärme im Raum verteilen.
Für kühle Rechner: Preiswerte Klimakälte direkt aus der Erde
Warum soll man für die Klimatisierung in einem Gebäude mehr Geld ausgeben als nötig? Vielfach unnötig ist es, sich eine teuere Klimakälteerzeugungsanlage in den Keller zu stellen, die dazu noch ständig viel Strom verbraucht? Mit den 7 – 12 °C in unserem Boden kann man nicht nur heizen. Sie sind auch perfekt für die Klimatisierung der Räume geeignet. Eine Wärmepumpe ist dafür gar nicht nötig.
Klimakälte kann man über Erdwärmesonden, Energiepfähle usw. direkt aus dem Boden in das Gebäude leiten. Dabei wird nur die in der Anlage kreisende Wärmeträgerflüssigkeit genutzt, bzw. mit Pumpen im Gebäude umgewälzt. Der Energieaufwand beschränkt sich auf den Stromverbrauch eben dieser Pumpen. Herkömmliche Aggregate zur Erzeugung von Klimakälte entfallen. Mit 1 kWh elektrischer Energie können bis zu 100 kWh thermischer Energie bereitgestellt werden.
Da der teure unterirdische Teil für zwei Aufgaben herangezogen werden kann, wird die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems enorm verbessert. So können u. U. bereits die Investitionskosten für eine Erdwärmeanlage zum Heizen und Kühlen günstiger sein als der Einbau einer konventionellen Heizung und einer getrennten Anlage zur Erzeugung von Klimakälte. Das trifft insbesondere dann zu, wenn keine eigenen Bohrungen abgeteuft werden müssen, sondern statisch bedingte Bauteile, also Energiepfähle usw., einbezogen werden können.
Oberflächennahe Vorteile
Heizöl- oder Erdgasheizungen müssen ständig mit fossiler Energie gefüttert werden. Sie amortisieren sich nie. Auf dem Heizungsmarkt ist daher eine Absetzbewegung von Öl und Gas unverkennbar. Wer Erdwärme nutzt, investiert zwar anfangs mehr in die Heizanlage, holt diese Mehrkosten bei richtiger Planung aber wieder herein. Besonders bei größeren Objekten und vor allem dort, wo auch noch Kühlbedarf abgedeckt werden soll, sind Erdwärmeanlagen den konventionellen Systemen wirtschaftlich sehr schnell überlegen. Auch bei Neubauten von Ein- oder Zweifamilienhäusern hat man die Mehrausgaben gegenüber einer gewöhnlich nach ungefähr 10 Jahren wieder hereingeholt. Die Bundesregierung gibt zudem Investitionshilfen aus dem Marktanreizprogramm.
Sole/Wasser und Wasser/Wasser-Wärmepumpen werden gefördert
* im Neubau bei einer Mindestarbeitszahl von 4 mit 10 € je m2 zu beheizender Fläche, max. mit 2000 Euro
* im Altbau bei einer Mindestarbeitszahl von 3.7 mit 20 € je m2 zu beheizender Fläche, max. mit 3000 Euro
* Der Fördersatz erhöht sich um bis zu 50% bei einer Arbeitszahl von mind. 4.7 im Neu- 4.5 im Altbau.
Den Nutzern bieten die oberflächennahe Erdwärmesysteme langfristig überschaubare Energiepreise, Komfort und Versorgungssicherheit zu wirtschaftlich immer interessanteren Rahmenbedingungen. Etwa Dreiviertel der im Gebäude benötigten Wärmeenergie kann über solche Anlagen bereitgestellt werden. Lediglich ein Viertel stammt aus dem Strom für den Antrieb der Wärmepumpe. Ein weiteres Heizsystem ist nicht notwendig. Zur ökologischen Optimierung kann man allerdings auch Solarkollektoren einsetzen, die außerhalb der Heizperiode die Warmwasserbereitung übernehmen. Eine solche Maßnahme ermöglicht, die Erdwärmeanlage im Sommer komplett abzuschalten und hilft Bohrmeter einzusparen. Bei geeigneten geologischen kann die Solaranlage
Richtig ausgelegte Erdwärmeanlagen schonen nicht nur das Bankkonto. Sie sparen auch in erheblichem Umfang Primärenergie ein und helfen so den, CO2-Eintrag in die Atmosphäre zu verringern.
Noch 1998 wurden bundesweit lediglich rund 3.700 Systeme verkauft. Bereits 2008 könnten die Unternehmen der Branche das Zehnfache an Aufträgen 2008 verbuchen. In wenigen Jahren sind zweistellige Marktanteile absehbar. Da zeichnet sich ein schon fast beispielloser Durchmarsch dieser innovativen Anlagen ab, die eine echte Alternative zu herkömmlichen Heizanlagen liefern und den Verbrauchern die Sorge um bezahlbare Heizenergie nehmen. Noch höhere Wachstumsraten sind zu erwarten, wenn es der Erdwärmebranche gelingt, ihre Konzepte und Lösungen für den Sanierungsbereich im Gebäudebestand auszubauen.
Tipps für den Bau einer Erdwärmesondenanlage
Erdwärmesonden machen etwa 80% der installierten Anlagen aus. Wie auch bei allen anderen Systemen müssen die einzelnen Teile sinnvoll zusammenarbeiten. Energiequelle und Wärmepumpe müssen zueinander passen. Die Wärmpumpe selbst muss wiederum den Anforderungen angepasst sein, die das Haus stellt und die man im Hinblick auf Wohnqualität und persönlichen Komfort erwartet.
Die Auslegung und Ausführung einer Erdwärmesondenanlage muss gemäß der Richtlinie VDI 4640 (Thermische Nutzung des Untergrundes) durchgeführt werden. Jedes Unternehmen, das sich mit dem Bau von solchen Systemen befasst, kennt sie. Jedes ordentlich arbeitende Unternehmen wird seine Anlagen auf der Basis dieser Richtlinie erstellen.
Erdwärme ist ein so genannter bergfreier Bodenschatz, dessen Nutzung vom Staat konzessioniert wird. Nach §4 BBerG (Bundesberggesetz) entfällt dies jedoch, wenn Erdwärme unter einem Grundstück für die Nutzung auf dem gleichen Grundstück (hier also für die Heizung) gewonnen wird. Nur ab einer Bohrtiefe von über 100 m müssen nach §127 BBerG die Bergbehörden wegen einer Genehmigung einer Bohrung eingeschaltet werden. Bergrechtliche Verfahren sind ansonsten nur erforderlich, wenn z. B. bei größeren Anlagen die Nutzung die Grundstücksgrenzen überschreitet.
Grundsätzlich muss bei der Unteren Wasserbehörde des Kreises oder der kreisfreien Stadt eine wasserrechtliche Erlaubnis beantragt werden. Für die einzelnen Bundesländer gelten unterschiedliche Verfahren und Vorschriften. Diese sind z. B. über die Wasserbehörden bzw. Landkreise erhältlich.
Der Grundstückseigentümer haftet für eventuelle, auch durch den Brunnenbauer verursachte Schäden im Untergrund.
Verantwortlich für die Erlaubnis ist grundsätzlich der Grundstückseigentümer. Die Anträge sollten vom Bohrunternehmer bzw. von dem mit dem Bau der Anlage beauftragten Planer in Zusammenarbeit mit dem Grundstückseigentümer gestellt werden.
Der Bereich bis zu einer Tiefe von etwa 15 m wird maßgeblich von der nicht stetigen Sonneneinstrahlung beeinflusst. Ab 15 m ist der jahreszeitlich unabhängige, stetige geothermische Wärmefluss entscheidend. Aus diesem Grund ist es in den meisten Fällen sinnvoll, statt vieler kleiner Bohrungen eine oder zwei tiefe auszuführen.
Folgende Anforderungen sind wichtig:
Anforderungen an die Erdwärmesondenrohre
Entsprechend VDI 4640 (Blatt 2, Punkt 5.2.2) ist die Verbindung zwischen Sondenfuß (Umlenkung) und den Sondenrohren im Herstellerwerk der Sonden selbst anzufertigen. Der Sondenfuß einschließlich seiner Verbindungen muss einer Druckprobe mit dem 1,5fachen des Materialnenndruckes unterzogen werden. Beispiel: Material PE 100, PN 16 bedeutet Druckprobe ca. 23-24 bar. Die Prüfergebnisse sind in einem Zeugnis zu dokumentieren. Das ist wichtig für die Gewährleistung!
Bei Schweißungen auf der Baustelle müssen die Schweißvorschriften der Hersteller eingehalten werden können. Dies bedeutet beim Muffenschweißen, je nach Hersteller der Elektroschweißmuffe, eine einzuhaltende Abkühlzeit zwischen Schweißung und dem nachfolgenden Arbeitsgang von mindestens 6 Minuten (Hersteller G+F). Viel Arbeit ersparen Komplettsonden, die gleich auf der Rolle auf die Baustelle geliefert werden und sofort in die Bohrung eingebaut werden können. Komplettsonden sind Qualitätsware. Es gibt Billigeres aber nichts Preiswerteres. Werden Sie also misstrauisch, wenn Ihnen ein Unternehmen von Komplettsonden abrät.
Anforderungen an die Verfüllung
Der Bohrlochringraum, das ist der Raum zwischen der Bohrlochwand und der Sonde, muss sorgfältig verfüllt werden. Über diese Verfüllung wird die Wärme vom Gestein bzw. vom umgebenden Boden zur Sonde transportiert. Als Verfüllmaterial sollte eine Bentonit-Zement-Suspension eingesetzt werden. Vor allem für größere Anlagen in einem Sondenfeld lohnt sich der Einsatz spezieller Materialien mit wärmeleitenden Zusätzen. Sie sind auf dem Markt erhältlich.
Manchmal wird auch Kies oder Sand empfohlen. Dies ist nur sinnvoll, wenn der Grundwasserspiegel bereits wenige Meter unter der Oberfläche ansteht, und nur dann erlaubt, wenn die Wasserbehörden zustimmen. Nach VDI 4640 dürfen Kies oder Sand sowieso nur bis in eine Tiefe von 50 m eingebracht werden.
Anbindeleitungen und Verteiler
Auch für die Verbindungsleitungen von den Erdwärmesonden zur Wärmepumpe ist die nötige Sorgfalt beim Verbinden (Schweißen) und Verlegen gefordert.
Es ist zwar nur extrem selten der Fall, aber es kann vorkommen: z. B. durch Einwirkung von außen wird das System undicht. Ist ein Verteiler eingebaut, kann dieser Fehler sehr schnell und genau lokalisiert werden. Dieser betroffene Kreis wird dann abgesperrt und repariert, während die Gesamtanlage in Betrieb bleiben kann. Sollte eine Anlage ohne Verteiler gebaut werden, kann der Ort einer Undichtigkeit nur sehr schwer lokalisiert werden. Damit fiele dann die komplette Anlage erst einmal aus.
Jedes ehrlich und korrekt arbeitende Fachunternehmen erstellt Erdwärmesonden, die problemlos und über Jahrzehnte betrieben werden können.
Beim Bundesverband Geothermie ist eine kostenlose Broschüre mit vielen weiteren Tipps rund um den Bau einer Erdwärmesondenanlage erhältlich. Sie kann per Post, Fax oder über das Internet bestellt werden. Die Kontaktdaten finden Sie im Servicebereich.
Quelle: Quelle: geothermie.de - Geothermische Vereinigung - Bundesverband Geothermie e.V
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