• Erdwärmesonden sind heute ein weit verbreitets System
• Erdwärmesonden werden üblicherweise als Doppel-U-Rohr-Sonden erstellt
• Spezielle Bauarten von Erdwärmesonden
• Einfache U-Rohr-Sonden
• Koaxialsonden
• Heat-Pipe-Sonden (CO2-Sonden)
• Energiepfähle, Geostrukturen
• Alternativen zu EWS: direkte Grundwassernutzung, Energiekörbe, Flachkollektoren
• Entwicklungstendenzen

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Erdwärmesonden sind heute ein weit verbreitetes System

Zur Nutzung untiefer Geothermie werden überwiegend Erdwärmesonden verwendet. Erdwärmesonden (EWS) sind Wärmetauscher, welche vertikal in das Erdreich versenkt werden. Sie machen die im Boden vorhandene Wärme, zusammen mit einer Wärmepumpe, für das Heizen von Gebäuden und für die Erwärmung von Warmwasser nutzbar. Erdwärmesonden können im Sommer auch zum Kühlen verwendet werden, was einer der Hauptvorteile dieser Technik ist. In diesem Fall wird die Wärme, die beim Kühlen eines Gebäudes im Sommer anfällt, ins Erdreich abgegeben.

Erdwärmesonden werden üblicherweise als Doppel-U-Rohr-Sonden erstellt

Eine Erdwärmesonde besteht im Allgemeinen aus zwei parallelen, U-förmigen Kunststoffrohren. Die EWS wird in einer Bohrung von bis zu 250m Tiefe in die Erde hinunter gelassen. Bei idealen Verhältnissen können auch tiefere EWS erstellt werden, der Rekord in der Schweiz liegt bei 700 m. Der Hohlraum zwischen Bohrwand und Rohren wird mit einem speziellen Mörtel (der Hinterfüllung) aufgefüllt. In den beiden U-Rohren lässt eine Umwälzpumpe eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkulieren. Dieses Fluid entzieht dem Erdreich die Wärme und transportiert sie zum Verdampfer in der Wärmepumpe. Dort wird die Wärmeträgerflüssigkeit abgekühlt und fliesst dann zurück in die Erdwärmesonde. Der Kreislauf ist geschlossen.

Spezielle Bauarten von Erdwärmesonden

  Einfache U-Rohr-Sonden  

Diese Bauart hat keine Vorteile gegenüber der Doppel-U-Rohr-Sonde (ausser einem etwas günstigeren Preis). Die Rate des Wärmeaustausch zwischen Erdreich und Sonde wird bestimmt durch die Rohroberfläche, welche bei einer einfachen Sonde viel geringer ist. Sie hat deshalb eine klar schlechtere Effizienz als Doppel-U-Rohr-Sonden und wird kaum je angewendet.

Koaxialsonden

Erdwärmesonden können auch mittels Koaxialrohren erstellt werden. Dabei fliesst im ringförmigen Aussenraum eines Koaxialrohres das Wärmeträgermedium nach unten und im Innenrohr wieder nach oben. Koaxialrohre sind dann vorteilhaft, wenn bei tiefen EWS das Innenrohr vom Aussenraum thermisch getrennt werden kann. Auf diese Weise wirkt dann der Gegenstrom-Wärmetauscher-Effekt nicht.

In der Praxis werden Koaxial-EWS selten angewendet. Hauptgrund ist das Problem, das sich das Koaxialrohr nur schwer aufwickeln und auf die Baustelle zu transportieren lässt. Zudem sind die dauerhaft dichte Herstellung des Sondenfusses und die Konstruktion des Sondenkopfes zur Trennung von Vor- und Rücklauf aufwändig.

Auf dem Markt erhältlich ist heute ein EWS-System, welches mit relativ kurzen, auf der Aussenseite gewellten Koaxialrohren, operiert. Mehrere solcher Koaxialrohre werden ab einem zentralen Schacht schräg und sternförmig in den Boden eingebracht. Das System beinhaltet auch Steckverbindungen für die Koaxialrohre. Im Erdreich sollen resp. dürfen aber nur hermetisch dichte, geprüfte und unlösbare Verbindungen eingesetzt werden, weshalb diese Technik für tiefe Sonden nicht geeignet ist. In Fällen, wo wegen Grundwasser nur 10 bis 30 m tief gebohrt werden darf, können Koaxiale Rohre aber eine interessante Alternative darstellen.

In Deutschland werden teilweise auch offene Koaxialsonden propagiert, das heisst Erdwärmesonden, die nur aus einem Rohr nach unten bestehen, wobei das aufgewärmte Wasser in der offenen Bohrung nach oben geführt wird. Diese Sonde darf natürlich nur mit reinem Wasser betrieben werden. Vorteile sind die einfache Bauweise und der sehr gute Wärmeübergang zur Erde. Voraussetzung ist eine Bohrung in einem Gestein, die ungestützt erhalten bleibt. Nachteil resp. die Gefahr ist, dass mit solchen Anlagen unkontrolliert vertikale Wasserwege (Verbindungen zwischen isolierten wasserführenden Schichten) geschaffen werden. Solche Verbindungen sollten vermieden werden,  aus diesem Grund ist eine Bewilligung nur in Ausnahmefällen zu erhalten.

Heat-Pipe-Sonden (CO₂-Sonden)

Heat-Pipe-Sonden funktionieren ganz anders als "normale" EWS. In einem Rohr, das ebenfalls wie eine Doppel-U-Rohr-Sonde ins Erdreich eingebaut wird, befindet sich ein Medium unter einem bestimmten Druck, welches bei den im Boden vorkommenden Temperaturen gerade verdampft. Oben am Sondenrohr befindet sich der Verdampfer der Wärmepumpe oder eventuell ein Wärmetauscher, der mit dem Verdampfer der Wärmepumpe über einen Zwischenkreis verbunden ist. Das kalte Kältemittel verflüssigt das Medium oben im Sondenrohr, welches dann den Rohrwänden entlang nach unten fliesst. Das wärmere Erdreich führt zu einer Verdampfung dieses Mediums, welches dann dampfförmig und von selbst nach oben strömt. Als Medium in diesen Heat-Pipe Sonden wird meist CO₂ (Kohlendioxid) verwendet. Deswegen wird diese Bauart auch als CO₂-Sonde bezeichnet. 

Vorteil dieser Technik ist der Wegfall der Sonden-Umwälzpumpe resp. deren Stromverbrauch. Zudem ist die Wärmequellentemperatur etwas höher als bei üblichen EWS mit Sole. Damit lassen sich mit Heat-Pipe-Sonden hohe Jahresarbeitszahlen erreichen.

Nachteil dieser Technik ist, dass bei Verwendung von CO₂ hohe Drücke im Sondenrohr erforderlich sind. Damit muss ein druckfestes Rohr aus Metall verwendet werden. Üblich sind heute Wellrohre aus Chromstahl, eventuell auch Kupferrohre. Diese Rohre sind teuer, und es ist unklar, wie hoch die Lebensdauer einer solchen Anlage ist. Je nach Untergrund sind Korrosionsprozesse nicht ausschliessbar. Ein weiterer Nachteil dieser Technik ist, dass mit diesen Erdwärmesonden nicht oder nur mit zusätzlichen technischen Tricks gekühlt werden kann.

Diese Technik kann bereits angewendet werden, sie ist aber bisher in der Schweiz nicht verbreitet. Viele Fragen sind noch offen. Besondere Beachtung muss der Konstruktion des Sondenkopfes geschenkt werden, der Verdampfer der Wärmepumpe und Kondensator des Sondenfluids ist. Fertige Produkte sind hier noch nicht auf dem Markt.

Messungen und realisierte Beispiele zeigen, dass mit optimierten Doppel-U-Rohr-Sonden mit reinem Wasser und einer korrekt dimensionierten und hocheffizienten Sonden-Umwälzpumpe in etwa gleich gute Jahresarbeitszahlen erreicht werden können wie mit einer CO₂-Sonde, mit dem Unterschied, dass solche Anlagen können heute routinemässig und ohne Probleme erstellt werden.

Energiepfähle, Geostrukturen

In einigen Fällen sind bei Neubauten Pfähle aus statischen Gründen erforderlich, falls der vorhandene Erdboden das Gebäude nicht sicher tragen könnte (z. B. wenn man auf Sand bauen will). Wenn diese Pfähle aus Beton sind, können sie mit Wärmetauscherrohren ausgerüstet werden und so wie eine EWS als Wärmetauscher im Erdreich wirken. Solche Energiepfähle sind immer in grösserer Zahl erforderlich, somit entsteht ein sogenanntes Pfahlfeld. Eine Regeneration des Bodens resp. die duale Nutzung zum Heizen und Kühlen ist deshalb praktisch immer erforderlich - umgekehrt ist dies meist auch ein wesentlicher Vorteil. Falls bei einem Neubau Pfähle erforderlich sind, sollten diese unbedingt als Energiepfähle genutzt werden. Der finanzielle Mehraufwand ist sehr gering, und ansonsten wird die Chance für immer verpasst, eine sehr wirtschaftliche Wärme- und Kältequelle nutzen zu können.

Analog zu Pfählen können in bestimmten Fällen auch weitere erdberührte Betonkonstruktionen als Wärmetauscher genutzt werden. So können Schlitzwände, Bodenplatten und Tunnelwände mit Wämretauscherrohren ausgerüstet werden.

Alternativen zu EWS: direkte Grundwassernutzung, Energiekörbe, Flachkollektoren

Nicht überall dürfen Erdwärmesonden erstellt werden. Besonders der Schutz des Grundwassers geht oft vor. Falls in einem solchen Fall eine direkte Nutzung des Grundwassers möglich, d.h. erlaubt ist, stellt dies eine energietechnisch sehr gute Alternative zu Erdwärmesonden dar. Die direkte Grundwassernutzung eignet sich aufgrund technischer Gegebenheiten vor allem für grössere Gebäude.

Ansonsten können Wärmetauscher mit anderen Konstruktionsformen die selbe Aufgabe wahrnehmen. Dies sind Erdwärmekörbe bzw. Spiralsonden, flache Erdkollektoren oder Grabenkollektoren (siehe auch: Arbeitsgemeinschaft Wärmepumpen, Technische Merkblätter, Merkblatt T2 - Wärmepumpenheizungsanlage mit horizontalen Erdkollektoren, Erdwärmekörben und Kompaktkollektoren). Diese Bauarten eignen sich im Allgemeinen für kleinere Gebäude mit tiefem Wärmebedarf. Diese Bauarten reichen nur ca. 2 bis 6 m in die Tiefe und befinden sich so meist oberhalb des zu schützenden Grundwassers. In vielen Fällen kann so eine Alternative zu Erdwärmesonden gefunden werden, falls eine EWS aus hydrogeologischen Gründen nicht erstellt werden darf. Es ist allerdings ein genügend grosses Grundstück erforderlich, und die Jahresarbeitszahl (JAZ) wird ganz leicht schlechter sein als bei einer EWS.

Entscheidend dafür, welche Bauart sich für ein bestimmtes Gebäude am besten eignet, sind die Platzverhältnisse vor Ort sowie die Betrachtung der Jahreskosten der Systeme.

Entwicklungstendenzen

Erdwärmesonden haben sich bewährt und sind mittlerweile etabliert. Die Entwicklungen zur Verbesserung der EWS gehen in Richtung immer tieferer EWS, was Rohrmaterial mit höherer Druckfestigkeit erfordert. Zudem sollte Rohrmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit entwickelt werden. Hinterfüllmaterial mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit ist bereits auf dem Markt und wird sich als Standard durchsetzen. Eine EWS wird ausserdem im Sommer vermehrt zum Kühlen eingesetzt, was die Sonde regeneriert und eine Klimaanlage spart.

• Prinzip der Wärmepumpe
• Optimierung der Wärmepumpe
• Wärmepumpen mit Wasser in der EWS

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Prinzip der Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, welche mit einem thermodynamischen Kreisprozess (dem Kälteprozess) einen Wärmestrom von einem tiefen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau anheben kann. Die Wärmepumpe funktioniert prinzipiell wie ein Kühlschrank: Wärme wird aus der Umgebung (z.B. aus dem Boden, der dabei abgekühlt wird) geholt und mit der Heizung im Haus wieder abgegeben. Dazu muss die Wärme auf ein höheres Temperaturniveau "gepumpt" werden. Hier interessiert also nicht die Kälte-, sondern die Wärmeleistung. Da es im Haus meist wärmer ist als in der Umgebung, und die Wärme nicht von selbst von der kalten zur warmen Seite wandert, muss zum Antrieb der Wärmepumpe eine hochwertige Antriebsenergie (im Allgemeinen Strom, oder sehr selten Erdgas) eingesetzt werden.

Funktionsprinzip Wärmepumpe (Quelle: Glen Dimplex Deutschland GmbH)

Die Wärmepumpe braucht also zwingend eine Wärmequelle, die mittels elektrischen Stroms auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben wird. Die Wärmequelle ist hier die Erdwärme, die im Erdwärmesonden-Kreislauf gewonnen wird. Die Wärmepumpe selbst basiert auf dem Kälte-Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Ein Kompressor verdichtet das im Verdampfer (kalte Seite) mit der Wärme aus der Erde verdampfte Kältemittel. Dabei steigt die Temperatur auf das gewünschte Niveau. Im Kondensator (warme Seite) kühlt das Kältemittel ab und wird dabei verflüssigt. Die Wärme wird an den Heizwasser-Kreis abgegeben, wo es zur Heizung des Hauses oder zur Erwärmung des Warmwassers dient (Nutzwärme). In einem Expansionsventil erfolgt dann ein Druckabbau im Kältemittelkreis, die Temperatur sinkt und das Kältemittel kann wieder, bei tiefer Temperatur, im Verdampfer verdampft werden. Die Nutzwärme ist dabei die Summe der Wärmeenergie, die aus der Wärmequelle gewonnen wird und der Energie (Strom), die für die Verdichtung erforderlich ist.

Wärmepumpe mit passiver Kühlung (Quelle: Glen Dimplex Deutschland GmbH)

Die Menge an Strom, die der Kompressor für die Verdichtung braucht, ist stark abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Nutzwärme. Deswegen ist die Wärmepumpe umso effizienter, je höher die Temperatur der Wärmequelle und je tiefer die Temperatur der Nutzwärme ist. Das Verhältnis von Nutzenwärme zu Antriebsenergie (Strom) wird als Leistungsziffer oder englisch Coefficient of Performance (COP) bezeichnet. Eine gute Wärmepumpe erreicht bei üblichen Bedingungen eine Leistungsziffer von 3,5 bis 5,5. Damit kann mit wenig Strom für den Antrieb viel Nutzwäme gewonnen werden.

Optimierung der Wärmepumpe

Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Nutzwärme kann bei der Dimensionierung minimiert werden. Die weitere Optimierung einer Wärmepumpe kann aber nur durch den Hersteller der Wärmepumpe durchgeführt werden. Diese beinhaltet:

• korrekt dimensionierte, das heisst nicht zu kleine Wärmetauscher bei Verdampfer und Kondensator
• einen hochwertigen Kompressor
• ein gutes Kältemittel (am besten ist Propan R290)
• eine geeignete Steuerung
• ein zweistufiger Betrieb des Kompressors bei grösseren Anlagen
• eine zweistufige Kompression (zwei Kompressoren hintereinander) bei grossem Temperaturhub (ab 65 °C Temperatur der Nutzwärme)

Die Güte einer Wärmepumpe wird am Coefficient of Performance COP (der Leistungszahl) gemessen. Diese wird vom Wärmepumpen-Testzentrum in Buchs SG oder anderen zertifizierten Prüfstellen gemessen und veröffentlicht.

Gute Wärmepumpen sollten das internationale Gütesiegel EHPA tragen (früher DACH-Gütesiegel). Ab 2011 müssen Wärmepumpen für Erdwärmesonden bei den Testbedingungen B0/W35 (Fluid in der EWS 0 °C, Vorlauf Nutzwärme 35 °C) einen Mindest-COP von 4,3 erreichen, gemessen nach EN 14511. Wärmepumpen, welche diesen Wert nicht erreichen, sind nicht zu empfehlen. Auf dem Markt sind Wärmepumpen zu finden, die bei diesen Bedingungen einen COP bis 4,7 erreichen.

In Prospekten der Hersteller ist oft die COP-Angabe zu finden, die nach EN 255 (veraltet) gemessen wurde. Diese COP-Werte sind höher als nach EN 14511 gemessen.

Wärmepumpen mit Wasser in der EWS

Idealerweise wird im Erdwärmesonden-Kreislauf Wasser als Wärmeträger verwendet. Die Erdwärmesonden-Anlage wird dann so dimensioniert, dass die Temperatur in diesem Kreislauf niemals unter 2 - 4 °C sinkt. Die genaue Mindesttemperatur ist von der Güte des Verdampfers abhängig, in dem keine Eisbildung erfolgen darf. Der Verdampfer würde dabei zerstört.

Eine Wärmepumpe sollte für diesen Fall mit einer Frostschutzeinrichtung (Temperatur-, Druck- und Durchflussüberwachung) versehen sein. Tritt die Gefahr eines Frostschutzfalles ein, unterbricht diese Frostschutz-Steuerung den Betrieb der Wärmepumpe, bis das Wasser im Erdwärmesonden-Kreislauf wieder seine normale Temperatur angenommen hat. Anschliessend wird der Betrieb der Wärmepumpe wieder aufgenommen. Der Frostschutzfall ist somit kein Störfall, der die Wärmepumpe ganz ausfallen lässt, sondern ein zwar unerwünschter und hoffentlich nie eintretender, aber möglicher Betriebsfall der Anlage.

Wer eine Anlage mit einer EWS mit reinem Wasser betreibt, sollte mind. einmal pro Jahr die Vorlauf-Temperatur zum EWS-Kreis kontrollieren, am besten nach einer Periode mit sehr kalter Witterung und dann mehrmals am Tag. Nähert sich diese Temperatur 3 - 4 °C (d.h. ca. 1 °C über der zulässigen Minimaltemperatur im Verdampfer), sollte im nächsten Sommer das Wasser in der Sonde mit mind. 12 - 20 % Ethanol (denaturiertem Alkohol resp. Sprit oder eventuell einem anderen Frostschutzmittel) angereichert werden, um einen Schadensfall oder temporäre Ausfälle der Wärmepumpe auszuschliessen.

 

• Für Wärmepumpen braucht es eine Wärmeverteilung mit möglichst tiefer Vorlauftemperatur
• Hydraulischer Abgleich ist notwendig
• Bei Neubauten sind Deckenheizungen zum Heizen und Kühlen zu empfehlen
• Thermostatventile helfen nur, wenn sie richtig eingestellt sind
• Die Heizkurve darf nicht zu hoch eingestellt sein

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Für Wärmepumpen braucht es eine Wärmeverteilung mit möglichst tiefer Vorlauftemperatur

Jede Heizungsanlage besteht aus drei Teilen: der Wärmeerzeugung, der Wärmeverteilung und der Wärmeabgabe.

Die Wärmeerzeugung besteht im Fall einer Erdwärmesonden-Anlage aus der oder den EWS selber, sowie einer Wärmepumpe.

Bei der Wärmeverteilung handelt es sich um die Leitungen, Apparate und Armaturen, die das erwärmte Wasser vom Wärmeerzeuger zu den Heizflächen und zurück transportieren (der Heizkreis). Dazu gehört auch das Expansionsgefäss im Heizkreis, ein Sicherheits-Überdruckventil, die Vorlauftemperatur-Regelung und die Umwälzpumpe(n). Die Wärmeabgabe erfolgt im Allgemeinen über Heizflächen in den Räumen. Dabei kann es sich um Heizkörper oder eine Flächenheizung (Boden, Decke, Wand) handeln. Für Erdwärmesondenanlagen sind Flächenheizungen den Heizkörpern vorzuziehen. Die Vorlauftemperatur kann so tiefer eingestellt werden, ideal auf max. 30 °C, aber in jedem Fall nicht über 35 °C. Für tiefe Vorlauftemperaturen sind enge Verlegeabstände der Rohrleitungen der Flächenheizregister erforderlich.

In einigen Fällen sind auch Luftheizregister mit Wärme zu versorgen. Auch diese können und müssen so gross ausgelegt werden, dass die Vorlauftemperatur nicht erhöht werden muss.

Hydraulischer Abgleich ist notwendig

Um einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe zu ermöglichen, ist zudem ein hydraulischer Abgleich jeder Anlage erforderlich. Es muss garantiert werden, dass eine möglichst tiefe Rücklauftemperatur erreicht wird. Mit dem korrekten Einstellen des Durchflusses in jeden Teil der Wärmeverteilung und mit nicht überdimensionierten Umwälzpumpen kann dies erreicht werden. Zum Abgleich sind pro Strang und pro Heizregister Strangregelventile einzubauen. Bei Heizkörpern und Heizflächen kann die Rücklaufverschraubung dem Abgleich dienen, oder der Ventileinsatz im Thermostatventil.

Der korrekte hydraulische Abgleich ist vom Heizungsinstallateur schon in der Ausschreibung zu verlangen.

Bei Neubauten sind Deckenheizungen zum Heizen und Kühlen zu empfehlen

Bei Neubauten sind Deckenheizungen zu empfehlen. Dies deshalb, weil damit im Sommer auch sehr gut gekühlt werden kann. Mit einer Bodenheizung kann ebenfalls begrenzt zur Kühlung beigetragen werden. Insbesondere bei einem Parkettboden wird aber die Feuchte beim Kühlen im Sommer rasch zu hoch, und es entstehen Schäden. Bei gewerblichen Gebäuden ist die Deckenheizung/-kühlung als Standard in jedem Fall zu empfehlen. Deckenheizungen hatten früher einen schlechten Ruf, da sie aufgrund der schlecht isolierten Gebäude zu heiss eingestellt werden mussten, was den Komfort senkte. Heute können und müssen Gebäude so gut wärmegedämmt werden, dass Komfortprobleme infolge zu hoher Deckentemperaturen nicht mehr auftreten. Bei den Fenstern ist der Standard inzwischen die Dreifachverglasung, so dass auch hier keine Komfortprobleme mehr zu befürchten sind.

Thermostatventile helfen nur, wenn sie richtig eingestellt sind

Wärme gelangt nicht alleine durch die Heizflächen in den Raum. Sonneneinstrahlung, Geräte und Personen können die Temperatur in einem einzelnen Raum momentan ansteigen lassen. Ein lange geöffnetes Fenster lässt sie sinken. Thermostatventile in jedem Raum regeln diese lokalen Wärmeschwankungen selbstständig und halten so die Temperatur konstant. Sie müssen richtig eingestellt sein, d.h. ca. auf der Stufe 3 (enspricht ca. 21 °C).

Wenn die Decken- oder ev. Bodenheizung so ausgelegt ist, dass sie eine Vorlauftemperatur von max. 30 °C oder weniger braucht, dann entsteht ein trägheitsloser Selbstregeleffekt. Steigt die Raumtemperatur, nimmt die Heizleistung automatisch ab, und umgekehrt. Dieser Effekt kann auch bei Thermoaktiven Bauteilsystemen (TABS) genutzt werden. In solchen Fällen ist es sinnvoller, die Vorlauftemperatur nur aufgrund der über eine gewisse Zeit gemittelten Aussentemperatur und ggf. eines Referenzraumes zu regeln. Neue, noch bessere Regelsysteme für TABS berücksichtigen die Wetterprognose. Thermostatventile sind nicht mehr notwendig.

Die Heizkurve darf nicht zu hoch eingestellt sein

Bei Wärmepumpen besonders wichtig ist auch die richtige Einstellung der Heizkurve.

Weitere Informationen finden Sie auch unter dem Thema Anlage betreiben.

• Jede Erdwärmesonde muss korrekt hinterfüllt werden
• Die Hinterfüllung ist entscheidend für den Grundwasserschutz und die Funktion der EWS
• Die Hinterfüllung muss von unten nach oben eingebracht werden
• Die sorgfältige Hinterfüllung muss kontrolliert werden
• Besser wärmeleitfähiges Hinterfüllmaterial ist zu empfehlen, oft ist es auch notwendig
• Das Bohrunternehmen sollte ein Gütesiegel haben
• Berechnung Hinterfüllmaterial-Mengen

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Jede Erdwärmesonde muss korrekt hinterfüllt werden

Nach der Absenkung der U-Rohre der Erdwärmesonde (EWS) muss der Hohlraum zwischen der Bohrlochwand und den Kunststoffrohren mit einem dauerhaft leicht flexiblen Mörtel vollständig ausgefüllt werden. Dies wird Hinterfüllung oder auch Verpressung genannt. Der spezielle Mörtel wird auch als Suspension oder Verpressmaterial bezeichnet.

Die Hinterfüllung ist entscheidend für den Grundwasserschutz und die Funktion der EWS

Die Hinterfüllung hat zwei wesentliche Aufgaben:

1. Einen vertikalen Grundwasserfluss verhindern
2. Wärmeleitung zwischen der Rohrwand und dem Gestein sicherstellen

Weiter kann die Hinterfüllung auch das Bohrloch gegen Einsturz stützen, dort wo in lockerem Gestein gebohrt wurde. Die Erdwärmesonden-Rohre werden vor Bohrloch-Einstürzen geschützt. Bei Erdwärmesonden über
200 m Tiefe werden die Kunststoffrohre zudem von aussen gestützt, falls kein Wasser im Boden vorhanden ist. Der statische Innendruck (infolge der Wassersäule) von z. B. 20 bar bei 200 m Tiefe kann so das Rohrmaterial nicht überdehnen.

Die Hinterfüllung muss von unten nach oben eingebracht werden

Mit der Erdwärmesonde wird ein 5. Rohr, das unten offen ist, mit abgesenkt. Durch dieses Kontraktor-Rohr oder Verpressrohr wird von oben her das angemischte Hinterfüllmaterial hinunter gepresst. Der Hohlraum zwischen der Bohrlochwand und den Kunststoffrohren wird so von unten nach oben mit frischem Hinterfüllmaterial vollständig aufgefüllt. Fertig ist die Hinterfüllung, wenn oben am Bohrloch das Hinterfüllmaterial erscheint.

Das Hinterfüllmaterial wird üblicherweise auf der Baustelle gemischt. Entweder wird eine Mischung aus Bentonit, einem natürlichen Tonmaterial, Zement und etwas Sand vermischt und mit Wasser angerührt. Oder es wird eine fertige Mischung verwendet, die in Säcken angeliefert wird und auf der Baustelle nur noch mit Wasser angerührt werden muss. Auf dem Markt gibt es verschiedene Anbieter, welche diverse solcher Mischungen anbieten. Es dauert einige Tage, bis dieser Mörtel vollständig ausgehärtet resp. abgebunden ist, ausserdem wird dabei Abbindewärme freigesetzt.

Um eine korrekte Qualität des Hinterfüllmaterials zu sichern, ist ein Fertigprodukt zu empfehlen. Dabei ist wichtig, dass der Mörtel genau nach Herstellerangaben gemischt wird.

Die sorgfältige Hinterfüllung muss kontrolliert werden

Damit die Hinterfüllung ihre Aufgaben erfüllen kann, muss sie sorgfältig gemacht werden. Insbesondere bei tiefen Bohrungen (ab 200 m) und bei Bohrungen, die weite Strecken durch Lockermaterial führen, ist dies kein einfaches Unterfangen und braucht genügend Zeit sowie erfahrene Bohrmeister, um die Hinterfüllung korrekt erstellen zu können. Nachträglich kann kaum mehr festgestellt werden, ob die Hinterfüllung korrekt eingebracht wurde oder nicht. Eine lückenhafte Hinterfüllung kann die Funktion der EWS beeinträchtigen, ihre Lebensdauer verringern, das Grundwasser gefährden oder zu Schadensfällen führen. Es sollte darum auf der Baustelle kontrolliert werden, ob die Hinterfüllung richtig gemacht wird. Insbesondere ist für die Hinterfüllung genügend Zeit einzuplanen, da der Mörtel nur relativ langsam durch das Kontraktor-Rohr gepresst werden kann.

Um eine korrekte Qualität des Hinterfüllmaterials zu sichern, ist ein Fertigprodukt zu empfehlen. Dabei ist wichtig, dass der Mörtel genau nach Herstellerangaben gemischt wird.

Besser wärmeleitfähiges Hinterfüllmaterial ist zu empfehlen, oft ist es auch notwendig

Um eine gute Wärmeleitung zu gewährleisten, sollte ein Hinterfüllmaterial gewählt werden, welches eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist als heute übliches Hinterfüllmaterial oder als ein selbst gemischer Mörtel. Dieser verbesserte Mörtel wird thermisch verbessertes Hinterfüllmaterial genannt.

Die Wärmeleitfähigkeit des Hinterfüllmaterials wird mit dem Lambda-Wert angegeben, dieser sollte mindestens
2 W/mK betragen. Solches thermisch verbessertes Hinterfüllmaterial ist ca. 5 bis 6 Franken pro Laufmeter teurer. Diese Mehrkosten rechnen sich aber über die Jahre, da sich mit einem verbesserten Hinterfüllmaterial die Temperatur im Sondenfluid um 1,5 bis 2 °C erhöht, und somit die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe erheblich besser wird.

Thermisch verbessertes Hinterfüllmaterial muss ausserdem eingesetzt werden, wenn mit der EWS auch gekühlt werden soll, wenn ein Sondenfeld erstellt wird, oder wenn die Sonde mit reinem Wasser betrieben werden soll. In diesen Fällen ist eine gute Wärmeübertragung an das Erdreich sehr wichtig. Deswegen überwiegen in solchen Fällen die Vorteile des teureren Hinterfüllmaterials deutlich.

Thermisch verbessertes Hinterfüllmaterial soll aber nicht dazu dienen, die EWS weniger tief als üblich zu bohren, ansonsten sind die Vorteile hinfällig.

Wenn möglich, sollte das Hinterfüllmaterial auch frostbeständig sein (ausser bei EWS, die mit reinem Wasser betrieben werden). Eine Wärmepumpe kann technisch gesehen leicht in den Gefrierbereich gefahren werden, wenn z.B. wesentlich mehr Wärme genutzt wird als vorgesehen. Viele Hinterfüllmaterialen, insbesondere auch selbst gemischte, zerbröseln nach einigen Frost-Tau-Wechseln förmlich und können ihre Aufgabe dann nicht mehr wahrnehmen.

Das Bohrunternehmen sollte ein Gütesiegel haben

Neben den oben genannten Empfehlungen ist insbesondere darauf zu achten, dass die Bohrung durch ein professionelles Bohrunternehmen ausgeführt wird. Professionelle Unternehmen verfügen über ein "Gütesiegel für Erdwärmesonden-Bohrfirmen" (siehe Quelle:FWS, 2010).

Berechnung Hinterfüllmaterial-Mengen

Das Microsoft Excel-Werkzeug zur Berechnung von Hinterfüllmaterial-Mengen richtet sich an Bauherren, die schnell und einfach die Liefermenge einer Fertigmischung für eine Erdwärmesonde auf ihrer Baustelle überprüfen wollen.
 

• Die Wärmepumpe kann und soll auch das Warmwasser erwärmen
• Legionellen sind im Wasser lebende Bakterien
• Warmwassererwärmung in Boilern
• Im Durchlaufprinzip wird das Trinkwasser kurz vor der Nutzung erwärmt
• Frischwasserstation als Alternative zum Technischen Speicher
• Übliche Sonnenkollektoren und eine Wärmepumpe konkurrenzieren sich
• Mit einer Photovoltaikanlage kann leicht ein Null-Heizenergiehaus erreicht werden

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Die Wärmepumpe kann und soll auch das Warmwasser erwärmen

Es wird empfohlen, das Warmwasser vollständig mit der Wärmepumpe zu erwärmen, ohne zusätzlich Strom für eine Direktaufheizung zu verwenden. Auch wenn Warmwassertemperaturen von 50 °C oder mehr erforderlich sind, ist die Erwärmung mit einer Wärmepumpe immer noch wesentlich effizienter als mit elektrischer Direktheizung. Es sind immer noch Arbeitszahlen von deutlich über 2 erreichbar. Die aus hygienischer Sicht optimale Temperatur wäre 60 °C bis 65 °C, da dann allfällige Mikroorganismen (insb. Legionellen) absterben. Die gängige Methode der Warmwasserspeicherung in einem Boiler ist für Wärmepumpen nicht geeignet, daher wird eine Warmwassererzeugung im Durchlaufprinzip empfohlen. Die Methode ist unten im Detail aufgeführt.

Legionellen sind im Wasser lebende Bakterien

Das Trinken von legionellenhaltigem Wasser stellt für Personen keine Gesundheitsgefahr dar. Erst wenn Legionellen mit Aerosolen (kleinsten Wassertröpfchen) in tiefe Lungenabschnitte gelangen (z.B. beim Duschen, Luft befeuchten, usw.), kann das zu Erkrankungen führen. Optimale Lebensbedingungen für Legionellen ist stehendes Wasser mit einer Temperatur von 25 bis 50°C.

Bei allen grossen Anlagen (für Heime, Hotels, Sportanlagen, etc.) mit langen Verteilleitungen und bei Anlagen mit grossen Warmwasserspeichern ist eine Warmwassertemperatur von 60°C bis 65°C erforderlich, um die Legionellenbildung zu verhindern. In Einfamilienhäusern und kleinen Wohngebäuden dagegen reicht eine Temperatur von 50°C aus.

Für die Warmwasser-Erwärmung stehen entweder ein konventioneller Warmwasser-Speicher (Boiler) oder ein technischer Speicher zur Auswahl.

Warmwassererwärmung in Boilern

Heute wird Trinkwasser noch immer – unabhängig von der Art der Wärmeerzeugung – zumeist in einem sog. Boiler aufgeheizt (Bild 1). Das Trinkwasser «lagert» im Boiler. Das Heizwasser wird vom Wärmeerzeuger zum Heizregister im Boiler und wieder zurück transportiert. Das Heizregister erwärmt das Trinkwasser. Die Temperatur des Trinkwassers kann niemals höher sein als die maximale Temperatur des Heizwassers im Register. Insbesondere bei tiefen Heizwasser-Temperaturen und im unteren Bereich des Boilers vereint diese übliche Art der Wassererwärmung die beiden wichtigsten Ursachen für Legionellenbildung: stehendes Wasser und ein Temperaturbereich zwischen 25 und 50°C. Aus hygienischen Gründen wird deshalb das Wasser einmal täglich auf über 60°C erwärmt, was zwar die Legionellen abtötet, aber einen Mehrenergiebedarf zur Folge hat. Dies ist nicht mit allen Wärmepumpeanlagen möglich, was eine direktelektrische Nachwärmung erforderlich macht, welche einen hohen Mehrstrombedarf erzeugt.

Bild 1: Übliche Lösung mit Warmwasser-Boiler: Es bilden sich leicht Legionellen

Wenn ein Warmwasser-Speicher (Boiler) geplant wird, sollte dieser so klein als möglich sein und maximal einen Tagesbedarf abdecken, um die Vermehrung von Kleinlebewesen nicht zu begünstigen. Eine Boilergrösse von 100 bis 150 Liter pro Wohneinheit reicht meist aus, da dieser ja laufend nachgewärmt werden kann. Hier sind Warmwassertemperaturen von 55°C bis 60°C (bei grossen Anlagen 60°C bis 65°C) zu empfehlen. Aus hygienischen Gründen ist es aber wie gesagt sehr ungünstig, warmes Trinkwasser zu speichern.

In jedem Fall muss die Anlage so geplant und betrieben werden, dass die Wärmepumpe die für das Warmwasser erforderliche Temperatur nur zeitweise liefert, um den Speicher zu laden. In der übrigen Zeit soll die Wärmepumpe nur die erforderliche Vorlauftemperatur für das Heizsystem liefern, die meist wesentlich tiefer liegt. Dies stellt sicher, dass die Wärmepumpe so oft wie möglich mit maximaler Arbeitszahl läuft.

Im Durchlaufprinzip wird das Trinkwasser kurz vor der Nutzung erwärmt

Empfohlen wird die Warmwasser-Erwärmung im Durchlaufverfahren. Die Gefahr einer mikrobiologischen Verunreinigung (Legionellen-Bildung) des Warmwassers kann stark vermindert werden. Bei einer Warmwassererwärumg im Durchlauf-Verfahren (auch Frischwasser-Station genannt) und bei kleinen Anlagen (Einfamilien- und kleine Mehrfamilienhäuser), wo keine langen WW-Leitungen vorhanden sind, ist eine Warmwassertemperatur von 50 °C ausreichend. Für das Durchlauf-Verfahren bei Einfamilienhäusern ist ein genügend gross dimensioniertes WW-Register in einem technischen Speicher geeignet. Bei grösseren Anlagen ist ein technischer Speicher mit einem externen WW-Wärmetauscher besser. Eine solche Anlage wird auch Frischwasser-Station genannt.

Bild 2: Das Warmwasser im Durchlauf-Prinzip zu erwärmen ist viel hygienischer, tiefere Temperaturen sind möglich.

Bild 2 zeigt die Versorgung mit Trinkwasser im Durchlaufprinzip. Der Wärmeerzeuger (Wärmepumpe) versorgt den Technischen Speicher mit Heizwasser. Während das Trinkwasser durch das Register im Speicher geführt wird, heizt es sich auf. Das Trinkwasser wird erst unmittelbar vor seiner Nutzung von ca. 10°C (Kaltwasser, KW) auf z.B. 50°C (Warmwasser, WW) aufgewärmt. Indem das Wasser kalt gespeichert und erst bei der Benutzung erwärmt wird, kann die Legionellenbildung stark eingedämmt werden, und die benötigte Warmwassertemperatur ist kleiner.

Frischwasserstation als Alternative zum Technischen Speicher

Die Frischwasserstation (Bild 3) ist eine Alternative zum Trinkwasser-Register im Technischen Speicher, die vor allem für grössere Anlagen geeignet ist. Sie funktioniert über einen Wärmetauscher ausserhalb des Speichers. Aus dem Speicher wird die Wärme zum Aufheizen des Trinkwassers bezogen und in der Frischwasserstation an das Trinkwasser abgegeben. Auch in diesem Fall wird das Kaltwasser erst unmittelbar vor seiner Nutzung erwärmt, und das Warmwasser verbleibt nicht über längere Zeit stehend im Wärmetauscher. Die Entstehung von Legionellen wird so stark reduziert. Die Frischwasserstation (resp. ein externer Wärmetauscher) hat den Vorteil gegenüber dem einfachen Durchlauferhitzer, auch grosse Warmwassermengen in kurzer Zeit liefern zu können. Diese Technik wird insbesondere auch bei solarer Wassererwärmung angewendet, wo Temperaturen über 60°C ebenfalls nur mit grossen Nachteilen erreicht werden können.

Bild 3: Trinkwassererwärmung mit einer Frischwasserstation.

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 Übliche Sonnenkollektoren und eine Wärmepumpe konkurrenzieren sich

Eine übliche Sonnenkollektoren-Anlage, um das Warmwasser zu erwärmen, ist in Kombination mit einer Wärmepumpe nicht wirtschaftlich. Sinnvoller ist es, mehr Geld in die Optimierung der Erdwärmesonde zu investieren (tiefere Sonde, bessere Hinterfüllung, Wasser statt Sole im Sondenkreis).

Viel Sinn machen kann hingegen ein unverglaster, grossflächiger Solarabsorber, der eine Regeneration der Erdwämesonde im Sommer ermöglicht und bei warmer Witterung als Wärmequelle für die Wärmepumpe dienen kann. Dieser Solarabsorber arbeitet auf tiefem Temperaturniveau (10°C bis max. 30°C).

Mit einer Photovoltaikanlage kann leicht ein Null-Heizenergiehaus erreicht werden

Wer Sonnenenergie nutzen möchte, sollte dies mit einer Photovoltaik-Anlage zur Erzeugung von Strom tun. Insbesondere bei Einfamilienhäusern kann damit oft gleich viel oder mehr Strom erzeugt werden, als die Wärmepumpe für den Antrieb des Kompressors braucht. Damit wird das Gebäude in der Bilanz über ein Jahr zu einem Null-Heizenergie-Haus.

Die Kosten für derartige Anlagen sind in den letzten Jahren stark gesunken und werden wahrscheinlich weiterhin abnehmen. Es ist anzunehmen, dass Photovoltaik-Anlagen schon bald günstigere Solarenergie liefern als Sonnenkollektoren, und dies erst noch in Form von hochwertigem Strom statt als Wärme. Eventuell kann sogar ein Nullenergie-Haus erreicht werden, wenn auch noch der Haushaltsstrombedarf erzeugt werden kann. Um dies zu erreichen, ist aber im Allgemeinen ein Passivhaus-Standard notwendig.

• Jede Wärmepumpenanlage braucht drei Kreisläufe
• Typen von Umwälzpumpen
• Stromverbrauch

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Jede Wärmepumpenanlage braucht drei Kreisläufe

In einer Wärmepumpen-Anlage mit Erdwärmesonden (EWS) gibt es drei Flüssigkeits-Kreisläufe mit separaten Pumpen: den Wärmeverbraucher-Kreislauf, den Kältemittelkreislauf und den Sondenkreislauf (den Primärkreislauf).Der Wärmeverbraucher-Kreislauf (oder Heizkreislauf) verteilt die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme zu den Wärmeverbrauchern, also zum Warmwassererwärmer und zu den Heizflächen oder Heizkörpern im Haus. Im Wärmeverbraucher-Kreislauf fliesst Heizwasser, das heisst reines, eventuell teilentsalztes Wasser, welches sich mit Rostpartikeln oder Schlamm anreichern kann. Für den Wärmeverbraucher-Kreislauf braucht es mindestens eine Umwälzpumpe, bei grösseren Anlagen auch mehrere (eine Hauptpumpe und eine pro Heizgruppe).

Der Kältemittelkreis ist der interne Kreislauf der Wärmepumpe und dient der Nutzbarmachung der Umgebungswärme, indem diese auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird. Im Kältemittelkreis zirkuliert ein Kältemittel (gleich wie in einem Kühlschrank), welches durch den Kompressor der Wärmepumpe umgewälzt wird.

Der Sonden- oder Primärkreislauf entzieht der Umgebung die Wärme, die dann an den Verdampfer der Wärmepumpe abgegeben wird. Dieser Kreislauf wird durch die Erdwärmesonden-Rohre gebildet. Es fliesst darin das sogenannte Sondenfluid, entweder eine Sole (Wasser mit beigemischtem Frostschutzmittel) oder reines Wasser. Dieses wird mit einer Umwälzpumpe (der Sondenpumpe) umgewälzt.

Zur weiteren Veranschaulichung finden sie hier ein Beispiel eines technischen Anlageschemas einer Erdwärmesonde.

Auf dieser Webseite wird primär die Optimierung der Sondenpumpe behandelt. Viele Angaben gelten aber für alle Umwälzpumpen in der Heizanlage, und auch für andere Heizquellen (Öl, Gas, etc.). Die Pumpe im Kältemittelkreis ist in der Wärmepumpe verbaut und muss nicht optimiert werden.

Typen von Umwälzpumpen

Umwälzpumpen halten die Zirkulation in einem Flüssigkeits-Kreislauf aufrecht und werden mit Strom angetrieben. Da sie lange Zeit laufen müssen, verbrauchen Umwälzpumpen oft sehr viel elektrische Energie.

Kleine Umwälzpumpen werden als Nassläufer-Pumpen hergestellt. Im Zuge der Anstrengungen zur Energieeinsparung werden diese Pumpen ähnlich wie z.B. Kühlschränke in Energieklassen eingeteilt. Seit 2013 sind in der Schweiz nur noch Pumpen der A-Klasse mit deutlich verbessertem Wirkungsgrad erlaubt. Bei Sondenpumpen ist üblicherweise keine automatische Regulierung des Volumenstroms erforderlich, dies kann sogar negativ sein. Die Pumpe sollte auf den optimalen Volumenstrom fest einstellbar sein, ausser bei Wärmepumpen mit Stufenregelung oder mit stufenloser Drehzahlregelung des Kompressors ("Invertertechnologie").

Für grössere Leistungen werden Inline-Pumpen eingesetzt. Diese werden wie die Nassläufer-Pumpen in der Rohrleitung montiert. Sie haben aber einen vom Pumpengehäuse getrennten Synchron-Motor, der luftgekühlt ist. Solche Pumpen haben generell einen besseren Wirkungsgrad als herkömmliche Nassläufer-Pumpen. Für die gegebenenfalls nötige Steuerung des Durchflusses werden meist separate Frequenzumrichter eingesetzt.

Sehr grosse Durchflüsse verlangen nach Sockelpumpen. Eine solche Pumpe wird samt dem externen Motor auf einem Betonsockel montiert, da sie zu schwer und zu gross für eine Montage in der Rohrleitung ist. Für EWS-Anlagen sind kaum je Pumpen in dieser Grösse erforderlich.

Stromverbrauch

Gute Umwälzpumen verbrauchen so wenig Strom wie möglich. Für den Sondenkreis soll die Stromaufnahme der Umwälzpumpe 0.5 Watt pro Meter Sonde nicht überschreiten.

Im Betrieb funktionieren Umwälzpumpen in der Regel über viele Jahre zuverlässig und ohne Wartungsaufwand. Wichtig ist vor allem, dass die Pumpe nur dann läuft, wenn dem Erdreich auch tatsächlich Wärme entzogen bzw. zugeführt wird. Dies kann durch die Wärmepumpen-Steuerung geregelt werden.

Die oft beigemischten Frostschutzmittel im Sondenkreis (Sole) haben den Nachteil, dass sie die hydro- und thermodynamischen Eigenschaften des Fluids gegenüber reinem Wasser verschlechtern. Übliche Frostschutzmittel machen das Wasser zähflüssiger, was zu einem höheren Strombedarf in der Umwälzpumpe führt. Deswegen sollte stets reines Wasser oder ggf. eine Wasser/Ethanol-Mischung eingesetzt werden.

• Mit Erdwärmesonden kann man im Sommer gratis kühlen
• Die Kühlfunktion ermöglicht eine Regeneration des Bodens
• Eine Deckenheizung eignet sich am besten für Direktkühlung
• Eine verbesserte Hinterfüllung ist für die Direktkühlung sehr nützlich
• Rückkühlung mit Erdwärmesonden benötigt temperaturfeste Rohre
• Kühlbetrieb

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Mit Erdwärmesonden kann man im Sommer gratis kühlen

Ein grosser Vorteil von Erdwärmesonden (EWS) ist, dass sie in Kombination mit einer Flächenheizung (oder ev. einer Luftheizung/-kühlung) auch zur Gratiskühlung eines Gebäudes eingesetzt werden können. Dieser Kühlbetrieb erhöht den Komfort im Sommer und ermöglicht eine teilweise Regeneration des Erdreichs. Wenn immer möglich ist es gerade bei Neubauten zu empfehlen, diese Option zu nutzen. Die Kühlung der Räume wird in Zukunft eine immer häufiger verlangte Funktion sein, einerseits weil die Komfortansprüche steigen, andererseits weil zu erwarten ist, dass sich das Klima weiter erwärmen wird.

Die Kühlfunktion ermöglicht eine Regeneration des Bodens

Oft, gerade bei grösseren Objekten, werden Erdwärmesonden zur Kühlung eines Gebäudes benutzt. Im Sommer wird somit überschüssige Wärme aus dem Gebäude wieder an den Boden abgeführt. Damit kann gleichzeitig der Boden aktiv regeneriert werden, das heisst, er wärmt sich wieder auf. Bei solchen Anlagen kann das Erdreich auch als saisonaler Speicher betrachtet werden. In einem solchen Fall können etwas höhere Werte beim Wärmeentzug (Heizfall) bezüglich Sondenbelastung (W/m) und Energie pro Laufmeter Sonde und Jahr (kWh/m) geplant werden. Mit einer Direktkühlung aus den Erdwärmesonden kann eine Vorlauftemperatur von ca. 18 °C erreicht werden. Unter Umständen kann eine Erdwärmesonde auch zur Rückkühlung einer Kältemaschine genutzt werden.

Neue Erkenntnisse zeigen, dass es bei Erdwärmesondenfeldern und dicht bebauten Gebieten langfristig unumgänglich ist, den Boden im Sommer aktiv zu regenerieren, da nicht soviel Wärme von unten und aus der Umgebung nachfliesst wie von der Sonde gewonnen wird. Ansonsten kühlt das Erdreich mit der Zeit aus, wodurch die Effizienz der Anlage drastisch sinkt.

Eine Deckenheizung eignet sich am besten für Direktkühlung

Es ist ein strategischer Entscheid, sich für einen Kühlbetrieb im Sommer zu entscheiden. Wenn man sich dafür entscheidet, ist der zusätzliche Aufwand in der Planung und der Ausführung bei einem Neubau vergleichsweise gering. Mit einer Deckenheizung, sei es in der Art einer thermoaktiven Decke mit eingelegten Heiz- und Kühlrohren (TABS), sei es mit unterhalb der Decke montierten Heiz- und Kühlelementen oder mit einer abgehängten Kühldecke, kann am wirkungsvollsten gekühlt werden. Mit Kühlung über Decken kann mit den direkt aus der EWS erreichbaren 18 °C in den meisten Fällen eine ausreichende Kühlleistung erzielt werden, und dies bei sehr hohem Komfort. Voraussetzung bei TABS ist, dass die Decke frei bleibt und allfällige Akustikelemente nicht den Wärmeübergang beeinträchtigen.

Der Mehraufwand ist gering. An Investitionen sind nur ein zusätzlicher Wärmetauscher im Sondenkreis und eine Steuerung notwendig. Zusätzlich benötigt der Kühlbetrieb Strom für den Betrieb der Umwälzpumpe im Erdwärmesonden-Kreislauf im Sommer. Falls diese Pumpe korrekt ausgelegt wird, ist der Strombedarf aber gering, und die Mehrkosten werden durch eine höhere Arbeitszahl im Winter kompensiert.

Bei Neubauten ist eine Deckenheizung zu empfehlen. Mit einer Bodenheizung (oder ev. einer Wandheizung) kann zwar auch gekühlt werden, aber die abführbare Leistung ist deutlich geringer. Bei Parkettböden sind zudem Schäden am Holzboden möglich, da bei Kühlbetrieb der Boden abgekühlt wird und damit die relative Feuchte steigt. Im Winter bei Heizbetrieb wird dann der Feuchte-Unterschied zu gross und Risse im Parkett können die Folge sein. Bei zu starker Kühlung können im Sommer auch Verwerfungen auftreten, wenn der Parkett zu feucht wird. Aus diesem Grund muss die Kühlleistung bei einer Bodenheizung mit Parkett auf einem sehr tiefen Niveau begrenzt werden.

Bei der Sanierung eines bestehenden Hauses mit Heizkörpern ist es schwieriger, da die Heizkörper wegen der Kondensation nicht zur Kühlung genutzt werden können. Es muss auf eine Flächenheizung umgerüstet werden. Falls das Haus über eine gute Wärmedämmung und moderne Fenster verfügt, ist auch hier eine Deckenheizung zu empfehlen, z.B. mit Kapillarrohrmatten im Deckenputz. Eventuell kommen auch spezielle Kühlsegel oder Kühlbalken in Frage.

In Gebäuden, die mit einer Lüftung ausgestattet sind, kann auch mit dieser einfach gekühlt werden. Wegen der relativ hohen Vorlauftemperaturen aus den Erdwärmesonden sind grosse Luftkühler in der Zuluft erforderlich, dafür entfällt die Installation einer separaten Kältemaschine.

Eine andere Möglichkeit zur Direktkühlung mit Erdwärmesonden sind Umluftkühler. Diese müssen ebenfalls mit unüblich grossen Kühlregistern ausgestattet werden, um mit den verfügbaren Vorlauftemperaturen aus den Erdwärmesonden kühlen zu können. EDV-Racks oder Technikräume können so sehr effizient und ohne Kältemaschine gekühlt werden.

Eine verbesserte Hinterfüllung ist für die Direktkühlung sehr nützlich

In jedem Fall sollte bei der Berechnung und Planung einer Erdwärmesonde bereits darauf geachtet werden, dass diese vielleicht einmal auch zum Kühlen genutzt werden könnte. Um dies zu ermöglichen, hilft eine thermisch verbesserte Hinterfüllung massgeblich, um möglichst tiefe Vorlauftemperaturen zum Kühlen zu erhalten.

Rückkühlung mit Erdwärmesonden benötigt temperaturfeste Rohre

Im Prinzip können Erdwärmesonden auch für die Rückkühlung von Kältemaschinen genutzt werden. Da für den Heizbetrieb bereits eine Wärmepumpe (WP) vorhanden ist, könnte diese WP auch als Kältemaschine im Sommer genutzt werden.

Falls die EWS zur Rückkühlung genutzt wird, treten relativ hohe Temperaturen im EWS-Kreis auf (weil die Rückkühltemperatur von üblichen Kältemaschinen bei 30 °C oder mehr liegt). Eine gleichzeitige Direktkühlung ist deshalb ausgeschlossen. Zudem müssen Erdwärmesondenrohre aus einem temperaturbeständigen Material verwendet werden. Vernetztes Polyethylen (PE-X) hat diese Eigenschaft. Das üblicherweise verwendetet Polyethylen (PE 100) hingegen büsst deutlich an Druckfestigkeit und auch Lebensdauer ein, sobald es über 30 °C erwärmt wird.

Kühlbetrieb

Siehe Thema Anlage betreiben

• Wasser ist das beste Fluid in der Erdwärmesonde
• Was ist bei Wasser als Sondenfluid zu beachten?
• Wenn ein Frostschutz, dann mit Wasser / Ethanol
• Anlage füllen
• Anlage entlüften
• Vorgehen beim Füllen

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Wasser ist das beste Fluid in der Erdwärmesonde

Der Sondenkreislauf besteht aus der Erdwärmesonde, der Umwälzpumpe, dem Expansionsgefäss und dem Verdampfer der Wärmepumpe. In diesem Kreislauf zirkuliert das Sondenfluid, welches als Wärmeträgerflüssigkeit agiert. Dieses nimmt im U-förmig verlegten Sondenkreislauf die Wärme aus der Erde auf und transportiert sie zum Verdampfer der Wärmepumpe. In der Fachsprache der Wärmepumpenhersteller wird diese Wärmeträgerflüssigkeit auch als Sole bezeichnet ("salzhaltiges Quellwasser, [Koch]salzlösung", Duden, Herkunftswörterbuch, 1997). Dieser Begriff erinnert daran, dass früher dem Wasser Salze als Frostschutz beigemischt wurden. Heute ist der Begriff aber in doppelter Hinsicht irreführend:

1. Es ist keineswegs zwingend notwendig, dem Sondenfluid irgendein Frostschutzmittel beizumischen. Reines Wasser ist umweltfreundlicher, und bei korrekter Dimensionierung der Anlage wird mit Wasser eine höhere Arbeitszahl erreicht als mit allen anderen Fluiden.
2. Wenn dem Wasser ein Frostschutz beigegeben wird, wird heute kein Salz mehr verwendet. Eingesetzt werden stattdessen Frostschutzmittel (Ethanol, Ethylenglykol, usw.) in unterschiedlicher Konzentration.

Was ist bei Wasser als Sondenfluid zu beachten?

Wie oben gesagt, ist Wasser das beste (und billigste) Sondenfluid. Da Wasser eine niedrigere Viskosität als die anderen Fluide hat, benötigt die Umwälzpumpe weniger Strom und die Leistungsziffer der Wärmepumpe wird besser. Um ein Einfrieren des Wassers im Verdampfer der Wärmepumpe zu vermeiden, muss die Erdwärmesonde mindestens 30 % tiefer gebohrt werden (bei grossen Anlagen sind eventuell mehr Erdwärmesonden notwendig). Zudem sollte die Hinterfüllung aus thermisch besser leitendem Material erstellt werden. Dies zieht zwar höhere Investitionskosten nach sich, diese werden aber durch die bessere Jahresarbeitszahl (und damit niedrigeren Stromkosten) kompensiert. Ausserdem sollte die Erdwärmesonde im Sommer zum Kühlen genutzt oder mit Sonnenenergie geheizt werden, um das Erdreich wieder zu regenerieren. Generell ist eine Befüllung mit reinem Wasser immer vorzuziehen und hat viele Vorteile gegenüber den anderen Sondenfluiden.

Wenn ein Frostschutz, dann mit Wasser / Ethanol

Falls von Beginn weg doch die Standardauslegung der Erdwärmesonde (nach SIA 384/6) gewählt wird, dann muss dem Sondenfluid ein Frostschutzmittel beigegeben werden. Heute üblich ist Ethylenglykol (auch unter den Namen Antifrogen^® N, Frostschutz^® N, Glykosol^® N oder ähnlich bekannt). Ethylenglykol kann auf metallische Bauteile korrosiv wirken, deswegen enthalten Frostschutzmittel mit Ethylenglykol immer Korrosionsschutz-Inhibitoren. Damit diese wirksam werden, muss eine Konzentration von mindestens 20 % erreicht werden. Damit wird aber eine Gefriersicherheit erreicht, die besser ist als nötig. Nachteil dieser Konzentration ist eine erhöhte Zähigkeit des Sondenfluids, was eine stärkere Umwälzpumpe erfordert. Zudem sinkt die spezifische Wärmekapazität, was wiederum eine höhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombedarf für die Pumpe bedeutet.

Ethylenglykol ist ungeniessbar und umweltschädlich und hat eine Lebensdauer von ca. 20 Jahren. Nach dieser Zeit muss es ausgewechselt und entsorgt werden.

Wenn Ethanol (Alkohol resp. denaturierter Sekundasprit) verwendet wird, ist eine Konzentration von maximal 20% zu wählen. Letzeres ergibt eine Gefriergrenze von -8.4 °C, was bei einer Auslegung nach SIA-Normen (minimal 0/-3 °C im Sondenkreis nach 50 Jahren) gut ausreicht. Solche Mischungen werden seit Frühjahr 2014 unter dem Markennamen Pumpetha von verschiedenen Lieferanten vertrieben.

Bei Mischungen über 20 % Ethanol wird die Zähigkeit des Gemisches rasch sehr hoch. Solche Mischverhältnisse sind deswegen zu vermeiden, da dadurch der Strombedarf der Umwälzpumpe steigt. Der grosse Vorteil dieser Mischung gegenüber Ethylenglykol ist eine bessere Wärmekapazität, was die Durchflussrate in der Sonde und somit den Strombedarf der Umwälzpumpe deutlich senkt. Zudem ist Ethanol ein natürliches Produkt aus nachwachsenden Rohstoffen, welches umweltneutral und ungiftig ist.

Die Stoffwerte von möglichen Frostschutzmitteln, insbesondere auch von Ethanol in den Konzentrationen von 10, 12 und 20 %, haben wir für Sie zusammen gestellt.

Anlage füllen

Vor dem Füllen der Anlage müssen zuerst die Umwälzpumpen und der Verdampfer mit sauberem Leitungswasser und unter Druck gereinigt werden. Daraufhin wird jede Erdsonde einzeln gespült und entlüftet. Wenn die Anlage fertig gespült und entlüftet ist, wird sie vollständig mit Leitungswasser gefüllt, und damit einer Druck- und Dichtigkeitsprüfung unterzogen.

Anlage entlüften

Es ist nicht auszuschliessen, dass die Wärmeträgerflüssigkeit über längere Zeit "ausgast". Vor allem in grösseren Anlagen können sich Gasblasen bilden, die die Zirkulation unterbrechen. Alle horizontalen Leitungen sind deshalb leicht schräg zu verlegen. So sammelt sich das Gas an einem Punkt, wo ein automatischer Entlüfter die Bildung von Gasblasen verhindern kann.

Vorgehen beim Füllen

Wenn beim Füllen der Anlage Frostschutzmittel eingesetzt werden, muss die richtige Menge homogen mit sauberem Wasser vermischt und in die gereinigte Sonde eingefüllt werden. Andernfalls kann das zähflüssige Konzentrat punktuell die Sonde verstopfen. Konzentrat und Leitungswasser müssen vor dem Füllen gemischt werden. Sie werden entweder auf der Baustellt gemischt oder als Fertigmischung bezogen. Für das Füllen der Anlage ist eine genau definierte Vorgehensweise zu beachten [Quelle:FWS, 2007].

Informierte Bauherren erhalten bessere Anlagen

Wenn Sie sich für den Einsatz einer Erdwärmesonden-Anlage interessieren, setzt das vor allem eines voraus: Zeit! Informieren Sie sich ausführlich, bevor Sie wichtige Entscheide fällen. Dies sind die wichtigsten Fragen, die Sie sich zu Beginn stellen müssen:

• Darf ich an meinem Standort überhaupt eine Erdwärmesonden-Anlage einbauen?
• Welche baulichen Massnahmen sind zu treffen, bevor der Einbau einer Erdwärmesonden-Anlage Sinn macht?
• Wie funktioniert eine Erdwärmesonden-Anlage technisch?
• Wie verläuft der Einbau einer Erdwärmesonden-Anlage?
• Wie betreibe ich eine Erdwärmesondenanlage richtig?
• Welche Einflussfaktoren sind wichtig für eine effiziente Anlage?

Erste Informationen erhalten Sie im Internet, z.B. eben auf dieser Seite. Verlässliche Ansprechpartner sind auch die Energieberatungsstellen der Kantone. Unabhängige Fachberater können Sie in Ihrem konkreten Fall so beraten, dass die wichtigen Weichen für Ihr Projekt frühzeitig richtig gestellt sind.

Nur mit einer klaren Ausschreibung erhalten Sie zu einem guten Preis das, was Sie wollen

Um eine effiziente Anlage zu einem guten Preis zu erhalten, sollten Sie eine Ausschreibung machen oder machen lassen. Die Ausschreibung braucht kein grosses Werk zu sein, aber sie sollte klar festhalten, was Sie wollen und brauchen. Die Auslegungsrechnungen und die Festlegung der technischen Details und der Produkte können Sie dabei den Anbietern überlassen, falls Sie die Ausschreibung selbst machen. Besser aber Sie lassen die Berechnungen und die Ausschreibung von einem in dieser Technik erfahrenen Planerbüro machen. Mit der Ausschreibung sollten Sie mind. drei Angebote einholen. Nun haben Sie vergleichbare Angebote und können sich den Unternehmer aufgrund der Qualität des Angebotes, seiner Referenzen und des Preises auswählen. Achten Sie dabei nicht hauptsächlich auf die Investitionskosten (Preis der Anlage), sondern wählen Sie das Angebot mit den tiefsten Jahreskosten.

Zu tief angesetzte Investitionskosten haben meistens zur Folge, dass wichtige Arbeiten unsorgfältig oder sogar gar nicht gemacht werden, was zu vielen Problemen führt und teure Reparaturen nach sich zieht. Ausserdem hat eine Wärmepumpenanlage eine lange Lebensdauer, so dass Einsparungen bei der Investition schnell durch höhere Jahreskosten annulliert werden.

• Je tiefer die Heizkurve, desto effizienter funktioniert die Wärmepumpe
• Im ersten Winter ist eine Betriebsoptimierung erforderlich 
• Eine Nachtabsenkung ist kontraproduktiv

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Je tiefer die Heizkurve, desto effizienter funktioniert die Wärmepumpe

Die Heizkurve beschreibt die Abhängigkeit der Vorlauftemperatur Ihrer Heizungsanlage von der Aussentemperatur. Es gilt: je tiefer die Aussentemperatur sinkt, desto höher muss die Vorlauftemperatur sein. Und es gilt auch: je besser Ihr Haus isoliert ist, desto kleiner kann die Vorlauftemperatur gewählt werden. Die Heizkurve ist also stark abhängig von den lokalen Gegebenheiten Ihres Hauses und muss deshalb individuell eingestellt werden. 

Im ersten Winter ist eine Betriebsoptimierung erforderlich

Nehmen Sie sich im ersten Winter genügend Zeit, die Heizkurve für Ihr Gebäude optimal zu justieren. Die Service-Fachleute stellen nach Inbetriebnahme die Heizkurve oft zu hoch ein, um sicher keine Reklamationen wegen zu tiefen Innentemperaturen zu erhalten.

Das Vorgehen:

1. Öffnen Sie alle Thermostatventile in Ihrem Haus vollständig (Stufe 5).
2. Senken Sie bei kalter Witterung jede Woche die Solltemperatur des Vorlaufs um ein Grad Celsius ab. Wiederholen Sie dies, bis die ersten Räume im Haus zu kalt werden. Erhöhen Sie anschliessend den Sollwert wieder um ein Grad.
3. Stellen Sie dann alle Thermostatventile in Ihren Räumen auf Stufe 3.
4. Justieren Sie jeden Raum einzeln. Ist der Raum zu kalt, erhöhen Sie den Stufenwert des Thermostatventils schrittweise um eine halbe Stufe. Ist der Raum zu warm, reduzieren Sie den Stufenwert schrittweise um eine habe Stufe. Die Fenster dürfen dabei keinesfalls gekippt sein.

Hinweis: die Erhöhung bzw. Absenkung der Thermostat-Ventileinstellung um eine halbe Stufe entspricht einer Temperaturveränderung im Raum von einem Grad Celsius. Das Thermostatventil regelt dann selbstständig die Durchflussmenge zum Heizkörper oder der Bodenheizung, so dass immer die gewünschte Temperatur herrscht (ausser natürlich bei lange offenem Fenster).

Auch nach allfälligen Sanierungen oder Nutzungsänderungen muss die Heizkurve wieder neu eingestellt werden.

Eine Nachtabsenkung ist kontraproduktiv

Früher wurde die Vorlauftemperatur jeweils über Nacht gesenkt, um Energie zu sparen. Die Räume sind dann über Nacht ausgekühlt und mussten am frühen Morgen wieder aufgeheizt werden. Damit kann bei schlecht gedämmten Gebäuden der Heizwärmeverlust reduziert werden. Bei gut isolierten Gebäuden findet diese Auskühlung aber kaum mehr statt, eine Nachtabsenkung ist daher nicht mehr sinnvoll.

Um nach der Nachtabsenkung das Haus wieder aufzuheizen, resp. um in kürzerer Zeit (z.B. 18 h statt 24 h pro Tag) ein Gebäude zu beheizen, sind höhere Vorlauftemperaturen nötig. Bei Wärmepumpen verschlechtert sich dabei die Arbeitszahl. Dies hat bei Wärmepumpen mit Erdwämesonden deutlich mehr Stromverbrauch zur Folge als dank der reduzierten Wärmeverluste gespart werden kann. Eine Nachtabsenkung ist daher in jedem Fall kontraproduktiv und verschlechtert die Jahresarbeitszahl.

Wenn Sie bei tieferen Temperaturen schlafen wollen, reduzieren Sie in den Schlafräumen die Temperatur, indem Sie einfach die Thermostatventile etwas zurück stellen. Falls Sie bei offenem Fenster schlafen, sollten Sie die Ventile im Raum ganz zurück stellen, sonst heizen Sie buchstäblich zum Fenster hinaus.

• Nur Firmen mit Qualitäts-Gütesiegel wählen
• Kontrolle ist besser als Vertrauen
• Checkliste zur Qualitätskontrolle

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Nur Firmen mit Qualitäts-Gütesiegel wählen

In der Erdwärme-Branche werden zwei Gütesiegel unterschieden. Zum einen ist dies das Internationale Wärmepumpen-Gütesiegel EHPA. Früher hiess dieses Gütesiegel DACH, kurz für "Deutschland, Österreich, Schweiz". Dieses Gütesiegel für Wärmepumpen hat einen hohen Standard und findet europaweit Anwendung. Nationale Kommissionen prüfen die Einhaltung der Vorgaben, in der Schweiz ist dies die Fachvereinigung Wärmepumpen FWS.

Das zweite Qualitätslabel der Branche ist das Gütesiegel für Erdwärmesonden-Bohrfirmen. Damit wird angestrebt, ein hohes Qualitätsniveau bei der Erstellung und Nutzung von Erdwärmesondenanlagen zu erreichen und zu halten. Während es sich beim Gütesiegel für Wärmepumpen um einen internationalen Standard handelt, bezieht sich dieses Label alleine auf die Schweiz.

Eine Liste aller Firmen in der Schweiz, welche eines dieser Gütesiegel tragen dürfen, findet sich auf der Homepage der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz FWS.

Kontrolle ist besser als Vertrauen

Eine regelmässige Kontrolle auf der Baustelle ist besser als blindes Vertrauen in die beauftragten Firmen. Dabei können auch Fragen gestellt werden, um die Arbeitsschritte zu verstehen und den Ablauf und die Qualität der Arbeiten zu überprüfen.

Besonders zu überprüfen ist, ob die erreichte Bohrtiefe dem Angebot entspricht. Die gelieferte EWS, auf deren Begleitpapieren die Länge angegeben ist, muss fast vollständig ins Bohrloch eingebracht werden können. Auf den Sondenrohren sollten eine Laufmeterangabe aufgedruckt sein. Auch anhand dieser Angaben kann die effektive Tiefe der installierten EWS kontrolliert werden.

Die Hinterfüllung kann ebenfalls ein kritischer Punkt sein. Hier muss kontrollliert werden, ob das bestellte Material verwendet wird (insb. bei thermisch verbesserter Hinterfüllung), und ob die Hinterfüllung genügend sorgfältig eingebracht wird. Dazu ist auch genug Zeit einzuplanen - es ist mindestens 1 Stunde pro 100 m Bohrtiefe vorzusehen, plus zusätzliche Zeit für Vorbereitungs- und Aufräumarbeiten. Mit einem einfachen Excel-Tool kann berechnet werden, ob genügend Hinterfüllmaterial geliefert wurde (Tool Bauherren).

Nach Fertigstellung der EWS muss die Dichtheit und der Durchfluss durch die Sonde geprüft werden. Im Idealfall, insb. bei Sonden tiefer als 250 m, erfolgt dies erst nach dem Abbinden der Hinterfüllung, um die EWS nicht zusätzlichen Belastungen durch den Drucktest auszusetzen. Der Drucktest zur Prüfung der Dichtheit sollte bei tiefen EWS daher erst ca. 10 Tage nach Fertigstellung der EWS erfolgen. Diese Prüfungen müssen dokumentiert werden.

Checkliste zur Qualitätskontrolle

Nachfolgend und bei den Dokumenten finden Sie eine Checkliste, um die Qualität der Angebote und der Arbeiten zu prüfen.

 

Gesamtoptimierung

Dieser Eintrag befasst sich mit dem Neubau von Wärmepumpenanlagen. Falls Sie den Betrieb einer bestehende Wärmepumpenanlage optimieren möchten, finden Sie dies unter dem Thema Anlage betreiben.

Erdwärmesonden funktionieren dann korrekt, wenn für eine bestimmte Anlage die richtigen Komponenten bzw. Medien eingesetzt werden, wenn diese richtig geplant und montiert werden und wenn die geplanten Betriebsbedingungen in der Praxis auch tatsächlich eingehalten werden. Über diese Aspekte informiert Sie die Seite erdwärmesonden.ch im Detail. Ausserdem beleuchtet diese Webseite die gegenseitige Abhängigkeit dieser Aspekte im Hinblick auf die Gesamtoptimierung einer Erdwärmesonden-Anlage.

Ausserdem finden Sie auf dieser Homepage eine anschauliche Übersicht der wichtigen Schritte unter dem Menüpunkt Gesamtoptimierung.