Erdwärme: Erdwärmesonde und Erdwärmeheizung

1. Nutzung von Erdwärme in Gebäuden

Die im Erdinneren gespeicherte Wärme wird als Erdwärme oder geothermische Energie bezeichnet, geowissenschaftliche Untersuchungen und die Nutzung der Erdwärme werden hingegen Geothermie genannt. Allerdings wird Geothermie manchmal auch als Synonym für Erdwärme verwendet. Erdwärme kann auf verschiedene Weise genutzt werden. So unterscheidet man zwischen geothermischer Nutzung von Erdwärmequellen (Heißwasser- und Dampfquellen), Kühlung von heißem Gestein und Nutzung von Erdwärme, die unter Druck an die Oberfläche gepumpt wird. In der Geothermie unterscheidet man zwischen mehreren Arten der Erdwärmenutzung. Erdwärme kann zur Stromerzeugung, Heizung (direkt oder mit Wärmepumpe) und in der Balneologie (Bäderheilkunde – das Wissen über Behandlungs- und Rehabilitationsmethoden mithilfe natürlicher Heilquellen oder Thermal- und Mineralwässern) verwendet werden.

1.1 Erdwärmepumpe und Erdwärmeheizung

Erdwärme wird von Sole-Wasser-Wärmepumpen bzw. Erdwärmepumpen als Heizenergie genutzt. Der Einsatz von Wärmepumpen nimmt in allen europäischen Ländern und auch in Österreich rapide zu. Dafür gibt es zwei Hauptgründe. Erstens sind Wärmepumpen eine sehr energieeffizientere Art der Nutzung von Primärenergieträgern, denn im Vergleich zu Öl- und Gaskesseln erlauben sie Einsparungen von etwa 30 bis 70 %. Der zweite Grund für die Beliebtheit von Wärmepumpen liegt darin, dass Wärmepumpen im Gegensatz zu Öl- und Gaskesseln keine schädlichen Emissionen erzeugen. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Emissionsminderung in dicht besiedelten Gebieten.

2. Erdwärmesonde

2.1 Geothermie und Erdwärmesonden

Zur Nutzung von Erdwärme gibt es unterschiedliche Systeme. Das gängigste System nutzt eine Erdwärmesonde (EWS) bzw. einen vertikalen Erdwärmekollektor, der in ein Bohrloch eingebracht und mit einer Wärmepumpe verbunden wird. Eine Wärmepumpe ermöglicht aber nicht nur Gebäudeheizung, sondern auch Gebäudekühlung und Brauchwassererwärmung. Bei Wärmepumpen mit einer Leistung von einigen hundert Kilowatt werden zur Wärmeentnahme aus dem Untergrund vertikale Erdwärmekollektoren bzw. Erdwärmesonden eingesetzt. Eine Erdwärmesonde ist eigentlich ein Erdwärmetauscher (auch Erdwärmeübertrager oder EWT genannt), der aus einem Rohr besteht und in ein vertikal oder schräg verlaufendes Bohrloch eingebracht wird. Im Erdwärmekollektor (Rohr) zirkuliert ein Medium (Wärmeträgerflüssigkeit), das dem umgebenden Gestein Wärme entnimmt und es so abkühlt. Dabei erwärmt sich die Wärmeträgerflüssigkeit und kehrt über ein parallel verlaufendes Rohr an die Oberfläche zurück.

2.2 Wie wird eine Erdwärmesonde eingebracht?

Erdwärmesonden werden in Tiefen von 30 bis 150 m in den Boden eingebracht. Manchmal werden sie sogar bis zu 300 m tief ins Erdreich eingelassen, doch in solchen Fällen muss der Querschnitt des Sondenrohres mehr als die üblichen 32 mm betragen (in der Regel 40 mm). Die Rohre von Erdwärmesonden bestehen aus Polyethylen (PE), weil dieser Kunststoff ein guter Wärmetauscher und beständig gegen Druck, Feuchtigkeit, Nagetiere und Mikroorganismen ist. Alle Hohlräume zwischen den Rohren und dem Erdreich müssen mit einem gut leitenden Material (im Regelfall mit einer Suspension aus Wasser und Zement) ausgefüllt werden. Die Anzahl der Erdwärmesonden sowie deren Tiefe und Durchmesser hängen vom Wärmebedarf des Gebäudes und der Leistung der installierten Wärmepumpe ab.

Es gibt zwei Bauarten der üblichen Erdwärmesonden:

Am häufigsten werden Doppel-U-Sonden eingesetzt, bei denen zwei Rohrpaare pro Bohrloch verwendet werden (die abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit wird durch die Erdwärmesonde gepumpt, wobei sie auf ihrem Weg zur tiefsten Stelle und zurück durch die Erdwärme über die Wandung erwärmt wird).

Die Alternative ist die sog. koaxiale Sonde, bei der Vor- und Rücklauf der Wärmeträgerflüssigkeit im Innenrohr sowie im Ringraum zwischen innerem und äußerem Rohr der Koaxialsonde erfolgen (die kalte Wärmeträgerflüssigkeit strömt durch ein Polyethylen-Innenrohr, während die erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit durch ein Außenrohr aus Stahl strömt).

2.2 Grundlegende Eigenschaften und das Einbringen der Erdwärmesonde

Eine Erdwärmesonde bietet mehrere Vorteile: Sie benötigt nicht viel Platz, die Temperatur der Wärmequelle bleibt ganzjährig hoch und eine direkte Kühlung ist ebenfalls möglich. Je nach Bodenbeschaffenheit wird zur Gewinnung von1 kW Wärmeenergie aus dem Erdreich ein etwa 10 bis 20 m tiefes Bohrloch benötigt. Die Abstände zwischen den einzelnen Bohrlöchern müssen mindestens 5 bis 6 m betragen, der Abstand zwischen einem Bohrloch und den Fundamenten des Gebäudes darf nicht geringer als 2 m sein. Auch die Qualität des Bodens ist zu berücksichtigen, da die Bohrtiefe von der Bodenbeschaffenheit (Boden- und Felsklassen) abhängt.

3. Erdwärme aus Gestein

Je nach Bodenbeschaffenheit können dem Boden zwischen 50 und 100 W Erdwärme pro Meter Sondenlänge bzw. Bodentiefe entnommen werden. Besonders wasserreichen Böden lassen sich auch größere Energiemengen entziehen. Die im Boden enthaltene Wassermenge und die Porosität des Bodens haben großen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit. Je nach Bodenbeschaffenheit können dem Erdreich unterschiedliche Energiemengen entnommen werden:

• - trockene Sandböden: 20 W/m,
• - nasse Sandböden: 40 W/m,
• - nasse Steinböden: 60 W/m,
• - Böden mit Grundwasser: 80 - 100 W/m.

Die Bodentemperatur in 15 m Tiefe beträgt ca. 10 °C und ist konstant, etwa alle 33 m Tiefe steigt die Temperatur um 1 °C an.

4. Erdwärme für Wärmepumpen

Der Einsatz einer Erdwärmepumpe ist die umweltfreundlichste und am weitesten verbreitete Art der Nutzung von Erdwärme zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden, denn sie hat keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Erdwärmepumpen-Heizsysteme benötigen zur Wärmeübertragung nur sehr wenig Energie, sie belasten die Umwelt nicht und gehören zu den effizientesten Heiz- und Kühlsystemen. Das Erdwärmepumpensystem bringt Sonnen- und Erdwärmeenergie durch eine Reihe von im Boden verlegten Rohren als nutzbare Energie ins Haus. Erdwärmepumpen können bereits bei Umgebungstemperaturen vom 5 °C arbeiten. Bei einem Erdwärmepumpen-Heizsystem werden mindestens 75 % des Energiebedarfs zur Gebäudeheizung und Warmwassererwärmung aus der Wärmequelle gewonnen, an die die Wärmepumpe angeschlossen ist. Die restlichen 25 % des Energiebedarfs werden durch Strom gedeckt, den die Wärmepumpe für ihren Betrieb braucht.

4.1 Wirkungsgrad von Wärmepumpen

Der Wirkungsgrad von Wärmepumpen wird als Leistungszahl bezeichnet, häufig stößt man jedoch auf den Begriff COP (vom eng. Coefficient Of Performance). Der COP-Wert bezeichnet das Verhältnis der abgegebenen Heizleistung einer Wärmepumpe zur aufgewendeten elektrischen Leistung des Verdichters an. Wenn z. B. der COP-Wert einer Wärmepumpe bei 5 liegt, bedeutet dies, dass für 1 kW der eingesetzten elektrischen Leistung des Kompressors 5 kW Heizleistung bzw. Wärme produziert werden. Der COP-Wert von Erdwärmepumpen liegt zwischen 4 und 5, Grundwasserwärmepumpen erreichen sogar COP-Werte von 6 bis 7.

Der zweite wichtige Wert bei Wärmepumpen ist die Jahresarbeitszahl (JAZ), die manchmal auch als SPF (vom eng. Seasonal Performance Factor) bezeichnet wird. Die Jahresarbeitszahl gibt den Wirkungsgrad der Wärmepumpe über die sich ganzjährig verändernden Betriebsbedingungen an. Sie berücksichtigt auch die Leistung von Hilfsaggregaten (z. B. Solepumpen, Grundwasserpumpen oder Luft-Ventilatoren) und kann deshalb von Laien schnell falsch ausgelegt werden. Sie sollten jedoch wissen, dass Wärmepumpen normalerweise Jahresarbeitszahlen von 3,5 bis 4,5 erzielen. Bei sehr guten Wärmepumpen kann die Jahresarbeitszahl auch höher liegen, während Jahresarbeitszahlen von weniger als 3 unwirtschaftlich sind (und wenn der Strom aus fossilen Brennstoffen kommt, sind sie auch nicht mehr umweltschonend).

4.2 Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe) mit Erdwärmesonde

Bei einer Erdwärmesonde wird dem umgebenden Erdreich über ein geschlossenes Bohrloch Wärmeenergie entnommen. Falls nicht genügend Grundwasser vorhanden ist, kommt ein Sole-Wasser-System zum Einsatz. In diesem Fall werden ein oder mehrere Bohrlöcher von 80 bis 150 m Tiefe angelegt, in die zwei Rohrpaare eingelassen und zu einer U-Schleife verbunden werden. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die im Gestein oder im Erdreich gespeicherte Wärmeenergie (hier ist ein großer Teil der Sonnenenergie gespeichert), die mithilfe einer Wärmepumpe zur Erwärmung des Hauses oder des Brauchwassers genutzt werden kann. Zur Wärmeentnahme stehen vertikale Erdwärmesonden und horizontale Erdwärmekollektoren zur Verfügung. In den Rohren zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf eine Sole (ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel). In einem Wärmetauscher wird die Wärmeenergie auf das Wärmeträgermedium des Heizkreises (Wasser) übertragen und mithilfe von zusätzlicher elektrischer Energie auf eine höhere Temperatur (bis zu 65 °C) gebracht. Das zurückfließende Wasser hat lediglich eine Temperatur von etwa 5 °C.

4.3 Wasser-Wasser-Wärmepumpe (Grundwasserwärmepumpe)

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist eine offene Geothermie-Bohrung. Eine Wärmepumpe, die das Grundwasser als Wärmequelle verwendet (daher auch die Bezeichnung Grundwasserwärmepumpe) ist das effizienteste System zur Nutzung erneuerbarer Energien. Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe eignet sich zur Beheizung von Wohn- und Gewerbegebäuden sowie zur Brauchwassererwärmung. Zur Wärmeentnahme aus dem Grundwasser werden zwei Brunnen benötigt: Das Wasser wird aus einem Förderbrunnen entnommen und zur Wärmepumpe gepumpt, wo ihm etwa 5 °C Wärme entnommen werden, bevor es durch einen Schluckbrunnen zurückgeführt wird. Der Abstand zwischen beiden Brunnen muss mindestens 12 m betragen und es ist sehr wichtig, wie die beiden Brunnen angelegt werden (unter Berücksichtigung des Grundwasserflusses). Das Grundwasser hat im Durchschnitt eine Temperatur von etwa 12 °C, die unabhängig von Wetter oder Außentemperatur konstant bleibt.