Die Umweltwärme steht als Erdwärme bereit oder wird in Form von Sonneneinstrahlung bzw. indirekt in Form von Wärme aus Regen und Luft vom Erdreich aufgenommen.

Diese im Erdreich gespeicherte Wärme wird über senkrecht eingebrachte Wärmetauscher, Erdwärmesonden, Energiekörbe oder über horizontal verlegte Erdwärmeaustauscher – auch als Erdwärmekollektoren oder Flachkollektoren bezeichnet – gesammelt. Die Anlagen werden monovalent, d. h. es heizt ausschließlich die Wärmepumpe, oder monoenergetisch, d. h. die Wärmepumpe deckt 80 – 90 % der gesamten Heizlast und eine weitere Energiequelle den Spitzenbedarf, betrieben.

Die Temperatur des Erdreichs variiert mit den Jahreszeiten. Sobald aber die Frostgrenze unterschritten wird, sind diese Schwankungen deutlich geringer. Die Wärme wird über die Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren oder Energiekörbe aufgenommen. Sie wird vom Erdreich an den Hilfskreis (Solekreis) abgegeben, welcher seinerseits die Wärme an das Arbeitsmittel (Kältekreis) abgibt. Im Verdampfer der Wärmepumpe wird dann diese Wärme über den Arbeitsmittelkreislauf an das Heizsystem abgegeben.

Erdwärmesonden

In der Praxis sind Erdwärmesonden die am meisten genutzte Wärmequelle. Der Erdboden hat ab einer Tiefe von ca. 10 m eine relativ konstante und von den Jahreszeiten unbeeinflusste Temperatur (7 – 10° C), also ideale Voraussetzung als Wärmequelle.

Als Erdwärmesonden kommen Doppel-U-Sonden mit einem Durchmesser der Einzelrohre von 25, 32 oder 40 mm zum Einsatz. Früher wurden für Erdwärmesonden Kupfer oder Edelstahl eingesetzt. Heute werden sie in der Regel in Kunststoff gefertigt. Polyethylen (PEHD) hat sich im Bereich der Erdwärmesondenmaterialien als optimaler Werkstoff etabliert.

Erdwärmesonden können in nahezu jedem Untergrund und jeder Höhenlage eingesetzt werden. Die Länge einer Erdwärmesonde ist vom Wärmebedarf des Gebäudes und den geologischen Eigenschaften des Untergrundes abhängig.

Dieses vertikale Rohrsystem ist – in eine Bohrung abgeteuft – fest im Untergrund installiert. Eine Umwälzpumpe befördert Sole (Wasser mit Frostschutzmittel) durch die Erwärmesonde. Dabei nimmt die Sole Wärme aus dem Untergrund auf. An der Wärmepumpe wird die Sole um 2 bis 4 K abgekühlt. Die Quellentemperatur an der Wärmepumpe beträgt in der Regel 0 °C.

Allgemeine Richtwerte für die Entzugsleistung pro Bohrmeter für Erdwärmesonden (nach VDI 4660 Bl.2), Doppel-U-Sonden:

• Schlechter Untergrund (trockenes Sediment, z. B. Kies und Sand) 20 W/m
• Normaler Festgesteins-Untergrund und wassergesättigtes Sediment, z. B. Kalkstein 50 W/m
• Festgestein mit hoher Wärmeleistung, z. B. Granit und Gneis 70 W/m

Mögliche spezifische Entzugsleistung für Erdwärmesonden:

• maximal 1.800 Jahresbetriebsstunden
• nur Wärmeentzug (Heizung einschließlich Warmwasser)
• Länge der einzelnen Erdwärmesonden zwischen 40 und 100 m
• kleinster Abstand zwischen den Erdwärmesonden:
  • mindestens 5 m bei einer Sondenlänge von 40 bis 50 m
  • mindestens 6 m bei einer Sondenlänge > 50 bis 100 m

Bei 2.400 Jahresbetriebsstunden verschlechtern sich die vorgenannten Leistungen um ca. 10 %.

Eine Wärmepumpe arbeitet mit einer erforderlichen Entzugsleistung, um die benötigte Heizleistung zu erreichen. Ist diese erforderliche Entzugsleistung (Kälteleistung) bekannt, dann kann die erforderliche Sondenlänge wie folgt abgeschätzt werden:

Erforderliche Kälteleistung [kW] / spez. Entzugsleistung des Untergrundes [W/m] = erforderliche Gesamtbohrtiefe.

Erdwärmekollektoren

Wie groß ein Erdwärmekollektor sein muss, hängt vom Wärmebedarf des Gebäudes und von den Speichereigenschaften des Erdreiches ab. Der Boden speichert die Wärme um so besser, je höher der Wassergehalt ist. Wesentlich ist es, immer ca. 20 cm unter der örtlichen Frostgrenze zu bleiben, da der Wärmeentzug konzent-risch um das Rohr herum stattfindet. In der Praxis sind dies meist ca. 1,0 bis 1,4 m Tiefe. Mit Hilfe der spezifischen Wärmeentzugsleistung können die Kollektorgröße und die notwendige Rohrlänge bestimmt werden. Bei der Planung des Erdwärmekollektors sollten Sie sich stets nach den Angaben des Wärmepumpenherstellers richten. Großflächige Regenwasserversickerung über den Wärmetauscherrohren im Erdreich erhöht den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens und damit die Wärmeleitfähigkeit.

Wird neu gebaut, kann im Zuge der Erdarbeiten das Erdreich auf der ganzen Fläche abgeschoben und der Kollektor verlegt werden.

Bei bestehenden Gebäuden wird mit einem Schaufelbagger ein Graben gezogen, in dem das Kunststoffrohr verlegt wird. Diese Methode hat den Vorteil, dass größere Erdmengen nicht zwischengelagert werden müssen.

Der Verlegeabstand zwischen zwei Rohren beträgt bis 80 cm bei DN32 oder DN 25. Beim Wärmeentzug wird bei tieferen Temperaturen die in der Bodenfeuchtigkeit gespeicherte Latentwärme rund um das Rohr genutzt. Das Wasser wird zu Eis. Deshalb kann Latentwärme um so besser genutzt werden, je feuchter der Boden ist und je größer die Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und Kollektor ist.

Frostschutz

Bei indirekter Nutzung der Wärmequelle Erdreich zirkuliert frostgeschütztes Wasser, sog. Sole, in den Rohren. Sie erfüllt alle Sicherheitsvorschriften in Bezug auf Toxizität und ist in ihrem Einsatz unproblematisch. Das Mischungsverhältnis ist von den zu erwartenden Temperaturen abhängig. Für Erdwärmekollektoren gilt eine Auslegungstemperatur von -15 °C, was einem Solekonzentrat von ca. 25 bis 30 % entspricht.

Größenbestimmung des Erdwärmekollektors

Die Fläche richtet sich einerseits nach der spezifischen Wärmeentzugsleistung des Erdreichs und andererseits nach dem für den Verdampfungsvorgang notwendigen Wärmestrom, der sog. Kälteleistung.

Die Kälteleistung ist die Heizleistung abzüglich der elektrischen Antriebsleistung.

Beispiel:
Die Heizleistung einer Wärmepumpe bei 0 °C Eintrittstemperatur in den Verdampfer und
35 °C Vorlauftemperatur ist 10 kW, die Leistungsaufnahme liegt bei 2,3 kW, die Kälteleistung beträgt damit 7,7 kW

Die Kälteleistung, dividiert durch die spez. Wärmeentzugsleistung des Erdreichs, ergibt dann die erforderliche Kollektorfläche.

Energiekörbe

Spiralförmige Energiekörbe sind eine weitere Alternative, Erdwärme zu nutzen. Sie werden in Vertikalbohrung oder in Gräben in etwa 2 bis 4 Meter Tiefe in den Boden eingebracht. Der Abstand zwischen den Körben beträgt ca. 4 Meter.

Genehmigung

Bei Planung, Bau und Betrieb von erdgekoppelten Wärmepumpen sind in Deutschland die Bestimmungen des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) und die wasserrechtlichen Regelungen bzw. die Wassergesetze der Länder zu beachten.

Bohrungen zum Einbau von Erdwärmesonden sind grundsätzlich anzeigepflichtig. Zu beachten ist dabei, dass in Deutschland mit der Erstellung der Sonde erst begonnen werden kann, wenn die zuständige Behörde ausdrücklich zustimmt. Werden Erdwärmesonden eingesetzt, kann je nach Bundesland und Bodenbeschaffenheit ein Genehmigungsverfahren erforderlich werden. Werden keine tiefer liegenden Grundwasserstockwerke angebohrt, wird die Genehmigung in der Regel erteilt. Im anderen Fall sind zusätzliche, von den hydrogeologischen Gegebenheiten abhängige Maßnahmen, z. B. Abdichtung durch geeignete Verfüllung, auszuführen, um den Schutz des Grundwassers sicherzustellen. In Gebieten, die für den Schutz von Wassergewinnung der öffentlichen Wasserversorgung oder privater Betreiber von Bedeutung sind, hängt die Zulässigkeit der Errichtung von Erdwärmesonden von den Umständen des Einzelfalles ab. Außer in Wasserschutzgebieten sind Erdwärmesonden überall möglich.

Dienen Erdwärmekollektoren als Wärmequellenanlage, genügt in der Regel eine Anzeige bei der zuständigen Behörde.

Die Grafiken wurden uns vom bwp, Bundesverband Wärmepumpe e.V. zur Verfügung gestellt.