• 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.

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.

 

• 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.

• 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

• 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.

Die Auslegung der Hydraulik verlangt Fachkenntnisse

Für einen effizienten Betrieb der Erdwärmesonde (EWS) ist eine Optimierung der hydraulischen Verhältnisse im Sondenkreis erforderlich. Die Grösse der Sondenrohre, die Dimensionierung der Umwälzpumpe im Sondenkreis und damit der Volumenstrom des Fluids in der EWS sowie die Auslegung des Expansionsgefässes müssen stimmen.

Eine Temperaturdifferenz im Sondenkreis von 4°C ist ideal

Der Volumenstrom im Sondenkreis bestimmt die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf, aber auch die Strömungsverhältnisse in den Sondenrohren und damit den Druckverlust im Sondenkreis.
Die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf darf nicht zu gross sein, da sonst auch die mittlere, für den Wärmefluss massgebende Temperatur steigt und die Sonde nicht die volle Leistung bringen kann. Wenn diese Temperaturdifferenz hingegen zu klein gewählt wird, muss entsprechend mehr Flüssigkeit umgewälzt werden, um die gewonnene Wärme abzuführen. Dies erhöht die benötigte Leistung der Umwälzpumpe, mit einem entsprechendem Mehrbedarf an elektrischer Energie.

In der Literatur oder bei Wärmepumpenherstellern findet sich vielfach die Empfehlung, die Temperaturdifferenz auf 3°C festzulegen. In der Praxis zeigt sich aber, dass bei mit Sole gefüllten EWS eine Differenz von 4°C ideal ist. Es ist zu empfehlen, auf diese Temperaturdifferenz auszulegen. Die Differenz kann gut bis zu 5°C betragen, deswegen ist es auch kein Problem, wenn bei der Auslegung auf 4°C eine etwas zu kleine Pumpe gewählt wird.

Bei reinem Wasser in der EWS ist die Anlage dagegen auf eine Temperaturdifferenz von 3°C auszulegen.

Optimaler Rohrdurchmesser

Bei genauerer Analyse offenbart sich ein sehr interessanter Zusammenhang zwischen Rohrdurchmesser und Sondentiefe. Die Jahresarbeitszahl wird einerseits beeinflusst durch die Leistung, welche benötigt wird, um das Sondenfluid umzuwälzen, und andererseits durch den Wärmeübergangswiderstand des Wärmeflusses vom Erdreich ins Sondenfluid. Beide diese Werte werden stark durch die Strömungsart des Sondenfluids beeinflusst.

• Laminar - Bei laminarer Strömung ist die zum Umwälzen benötigte Leistung geringer. Der Nachteil ist, dass auch der Wärmestrom vom Erdreich ins Sondenfluid kleiner ist, da die Randschichten des Fluids an der inneren Rohrwand einen Wärmeübergangswiderstand darstellen und somit die Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Erdreich grösser wird, resp. bei Heizbetrieb eine tiefere Fluidtemperatur resultiert.
• Turbulent - Wird die Durchflussrate erhöht, schlägt die Strömung ab einem gewissen Wert von laminar zu turbulent um. Dies erhöht den Leistungsbedarf der Umwälzpumpe, aber verbessert gleichzeitig den Wärmeübergang drastisch.

Die Rohre für Erdwärmesonden werden meist mit zwei Durchmessern verwendet: 32mm (DN 32) oder 40mm (DN 40). Das untenstehende Bild zeigt eine Beispielberechnung der JAZ eine Erdwärmesondenanlage mit reinem Wasser für verschiedene Sondenlängen (die Erkenntnisse sind aber für jedes Sondenfluid gültig). Die Grafik erlaubt zwar nur qualitative Aussagen, offenbart aber einen sehr interessanten Zusammenhang:

• Turbulent ist besser als laminar. Es ist klar zu erkennen, dass der Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung einen deutlichen Sprung in der Jahresarbeitszahl zur Folge hat. Dies bedeutet, dass die höhere Fluidtemperatur (die damit bessere Arbeitszahl der Wärmepumpe) die zusätzlich benötigte Leistung in der Umwälzpumpe mehr als aufwiegt.

Fazit: In der Planungsphase sollten die Strömungsverhältnisse in beiden Rohrdurchmessern berechnet werden. Ist die Strömung im 40mm-Rohr laminar, aber im 32mm-Rohr turbulent, sollte das dünnere Rohr immer vorgezogen werden.
Ist die Strömung in beiden Rohrtypen turbulent, ist hingegen das dickere Rohr die bessere Wahl.

Als Faustregel kann gelten, dass bei Wasser bis zu einer Tiefe von 80 m ein DN 32 Rohr verwendet werden sollte. Mit Sole als Fluid in der EWS soll bis zu einer Sondentiefe von ca. 120 m Sondentiefe ein DN 32 Rohr verwendet werden.

• Berechnung der erforderlichen Länge der Erdwärmesonde(n)
• Die lokale Geologie muss auf jeden Fall berücksichtigt werden
• Die Belastung der Erdwärmesonde ist mitentscheidend
• Nahe gelegene EWS müssen mit berücksichtigt werden
• Reines Wasser in der EWS macht eine Verlängerung notwendig
• Verbesserte Hinterfüllung rechtfertigt nicht eine kürzere EWS

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Berechnung der erforderlichen Länge der Erdwärmesonde(n)

Für die Dimensionierung von Erdwärmesonden existiert in der Schweiz eine eigene Norm, die SIA 384/6, Erdwärmesonden [Quelle:SIA 384/6, 2010]. Für die Berechnung von Erdwärmesonden-Anlagen ist sie das einzig gültige Regelwerk und muss zwingend angewendet werden. In Deutschland können die VDI-Richtlinien 4640 ff genutzt werden, welche aber gegenüber der SIA 384/6 älter und weniger umfassend sind. Richtwerte aus der Praxis (z.B. 45 W/m Sondenlänge) mögen für grobe Abschätzungen hilfreich sein, als Berechnungsgrundlagen taugen sie aber nicht! Der Bauherr sollte deshalb beim Planer unbedingt die Auslegung seiner Anlage nach der Norm SIA 384/6 verlangen.

Die lokale Geologie muss auf jeden Fall berücksichtigt werden

In erster Linie muss bei der Auslegung der Erdwärmesonden (EWS) die lokale Geologie berücksichtigt werden. Diese kann beim zuständigen Amt der Kantone erfragt werden. Ihre Beschaffenheit kann örtlich sehr unterschiedlich sein und ist deshalb nie hundertprozentig vorhersehbar. Bauherr wie Unternehmer müssen sich deshalb während des Bohrvorgangs auch auf Überraschungen gefasst machen.

Nicht in jedem Fall stimmt eine Annahme mit den tatsächlichen Verhältnissen überein. In einem solchen Fall muss die Länge (oder Anzahl) der EWS neu berechnet werden. Es kann deshalb vorkommen, dass tiefer als ursprünglich geplant gebohrt werden muss, oder dass eine Bohrung vorzeitig abgebrochen werden muss, weil man z. B. auf unerwartetes Grundwasser stösst. Solche Probleme treten allerdings zum Glück selten auf, die überwiegende Mehrzahl aller Bohrungen verläuft absolut problemlos.

Die Belastung der Erdwärmesonde ist mitentscheidend

Bei der Auslegung der EWS muss das Belastungsprofil des Wärmebedarfes über das ganze Jahr miteinbezogen werden. Die Belastung ist gleich dem Wärmebedarf des Hauses, und der maximal mögliche Wärmeentzug hängt unter anderem von der Geologie ab. Die Kennzahl ist entweder der Wärmeentzug pro Jahr in kWh/m, oder die Anzahl der Volllaststunden pro Jahr der Wärmepumpenanlage.

Die Volllaststunden (h) berechnen sich aus der benötigten totalen Wärmeenergie pro Jahr (in kWh) geteilt durch die erforderliche thermische Auslegeleistung der Wärmepumpe (in kW). Bei einer EWS, die nur zum Heizen benutzt wird, liegen die Volllaststunden eines Wohnhauses bei ungefähr 1800h. Wenn (wie empfohlen) auch das Warmwasser mit der Wärmepumpe erwärmt wird, liegen die Volllaststunden bei ca. 2200h. Bei neuen, gut gedämmten Gebäuden kann diese Zahl auch tiefer liegen.

Falls die Anzahl der Volllaststunden über 1800 h liegen, muss die EWS entsprechend länger gebohrt werden. Ebenso, falls mehr als 100 kWh/m Wärme jährlich aus der EWS entzogen werden sollen.

Nahe gelegene EWS müssen mit berücksichtigt werden

Weiter muss berücksichtigt werden, ob in 30m Umkreis weitere EWS bestehen, geplant sind oder in Zukunft erstellt werden könnten. Dies ist in vielen dicht überbauten Gegenden der Fall. In diesem Fall kann eine natürliche Regeneration der Erde auf lange Zeit hinaus gesehen nicht mehr garantiert werden. In einem solchen Fall ist zu empfehlen, die EWS der SIA 384/6 entsprechend zu verlängern, da die Bodentemperatur über die Lebensdauer ohne Gegenmassnahmen merklich abnehmen wird. Noch besser aber ist es, eine (künstliche) Regeneration der EWS vorzusehen, entweder mit einer Deckenkühlung oder/und mit einem Solarabsorber.

Werden ganze Sondenfelder erstellt, ist eine fachgerechte Simulationsrechnung der ganzen Anlage und eine geeignete künstliche Regeneration unbedingt erforderlich (siehe z.B. Programm-Modul EWS und Pilesim2).

Reines Wasser in der EWS macht eine Verlängerung notwendig

Reines Wasser als Fluid in der EWS macht eine Verlängerung der EWS um etwa 50% notwendig. Mit thermisch verbesserter Hinterfüllung kann die Mehrlänge auf 30% reduziert werden. Dies führt zwar zu höheren Baukosten, aber der Betrieb mit reinem Wasser ist effizienter und lohnt sich über die Gesamtlebensdauer gesehen.

Verbesserte Hinterfüllung rechtfertigt nicht eine kürzere EWS

Eine thermisch verbesserte Hinterfüllung ist eine sehr zu empfehlende Massnahme. Die Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und Sondenfluid kann verkleinert werden, was die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpenanlage erhöht und die benötigte Mehrlänge beim Betrieb mit reinem Wasser als Sondenfluid reduziert. Die Eigenschaften des umgebenden Erdreichs limitieren jedoch die maximal entziehbare Wärme. Deswegen ist es nicht sinnvoll, die EWS kürzer auszulegen, wenn man thermisch verbessertes Hinterfüllmaterial benützt.

Für den Durchmesser der EWS: siehe Hydraulik optimieren

• Was ist eine Regeneration des Erdreichs und wieso ist sie wichtig?
• Auch bei Einzelsonden kann eine Regeneration Sinn machen
• Wie regeneriere ich die Erdsonde nachhaltig?
• Eine Regeneration in jedem Fall planerisch vordenken

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Was ist eine Regeneration des Erdreichs und wieso ist sie wichtig?

Wenn ein Haus mit einer Erdwärmesonde geheizt wird, entzieht die Sonde dem Erdboden Wärme. Das Problem ist, dass diese Wärme nur sehr langsam nachfliesst. Der Einfluss der Sonne ist vernachlässigbar in Tiefen unter 20 m, und der geothermische Wärmestrom aus der Tiefe ist verhältnismässig klein. Der grösste Teil der Wärme fliesst von der Seite her nach, was besonders in Gebieten mit vielen Erdwärmesonden langfristig zu grossen Problemen führen kann.

Das Bild unten zeigt das Temperaturprofil des Erdreichs in der Nähe einer Erdwärmesonde nach ein paar Jahren, wenn das Erdreich nicht regeneriert wird. Das Heizen eines Hauses im Winter entzieht dem Boden mehr Wärme, als im Sommer nachfliessen kann. Dies führt dazu, dass der Boden in einem gewissen Radius um die Sonde auskühlt, was die Effizienz der Anlage mindert.Wenn sich in etwa 60 m um die Erdsonde keine anderen Anlagen befinden, ist dies kein grosses Problem, da sich die Temperatur auf einem gewissen Niveau einpendelt, und die Funktion der Anlage auch langfristig nicht gestört wird. Obwohl sich eine Regeneration trotzdem lohnen kann, da die Jahresarbeitszahl erhöht wird, ist sie nicht unbedingt nötig.

Dies sieht allerdings ganz anders aus, wenn mehrere Sonden dicht nebeinander gebaut werden, wie es in Siedlungsgebieten immer öfter der Fall ist (siehe Bild unten). Da in diesem Fall keine Wärme von der Seite zufliessen kann, kühlt das Erdreich über die Jahre immer weiter aus, bis die Funktion der Anlage nicht mehr gewährleistet werden kann.

Simulationsrechnungen zeigen, dass die Bodentemperatur bei dichter Bebauung nach einigen Jahrzehnten so tief gesunken ist, dass eine Erdsondenanlage nicht mehr wirtschaftlich ist. Besonders problematisch ist dies bei Sonden mit Längen über 200 m. Die Abkühlung des Bodens erfolgt zwar langsamer als bei kurzen Sonden, aber da die Sonneneinstrahlung in grossen Tiefen keinen Einfluss mehr hat, ist die langfristige Endtemperatur bedeutend tiefer.

Dieses Problem kann einfach behoben werden, indem man im Sommer simpel gesagt das Erdreich heizt, wodurch die Erdsonden regeneriert werden. Der benötigte Aufwand ist gering und der Nutzen beträchtlich, weshalb eine Regeneration unbedingt zu empfehlen ist.

Auch bei Einzelsonden kann eine Regeneration Sinn machen

Auch bei einer Einzelsonde kann eine Regeneration sinnvoll sein. Das Erdreich um die Sonde kühlt dadurch weniger aus, was die Effizienz der Anlage verbessert. In der Grafik unten sehen sie einen Vergleich der Bodentemperatur zwischen eine Sonde mit und einer ohne Regeneration. Die saisonalen Schwankungen sind zwar in beiden Fällen gleich, doch ohne Regeneration läuft die ganze Anlage im Mittel auf einem tieferen Temperaturniveau.

Im Idealfall wird über das Jahr ähnlich viel Wärme zu- wie abgeführt, so dass sich die ursprünglichen Temperaturverhältnisse langfristig nicht verändern. Da immer auch natürlicherweise Wärme nachströmt, kann etwas mehr Wärme entzogen werden als mit der Regeneration wieder eingebracht wird. Die Temperatur im Sondenfluid kann so bis zu 5 °C höher sein, als ohne Regeneration.
Damit kann die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpenanlage mit EWS deutlich gesteigert werden. Es können im Heizfall auch etwas höhere Werte bezüglich Sondenbelastung und Energie pro Laufmeter Sonde geplant werden.

Die Regeneration einer Einzelsonde ist auch nötig, falls die EWS zu kurz geplant wurde oder der Wärmebedarf höher ist als angenommen. In solchen Fällen droht oft ein Betrieb der EWS im Temperaturbereich unter Null Grad Celsius. Dies führt zu Vereisung um die EWS herum, was den Wärmetransport zur EWS im Gestein vermindert. An der Hinterfüllung können irreparable Frostschäden auftreten, und eventuell können wiederholte Hebungen und Senkungen des Bodens über der EWS auftreten. All dies kann mit einer Regeneration verhindert werden.

Wie regeneriere ich die Erdsonde nachhaltig?

Natürlich macht es keinen Sinn, das Sondenfluid mit herkömmlichen Mitteln zu heizen, um die Sonde zu regenerieren. Es gibt zwei Möglichkeiten, das Sondenfluid auf eine sinnvolle Art zu erwärmen: Solarkollektoren oder Verwendung der Wärmepumpenanlage als Klimaanlage.

Als Solarkollektoren ideal geeignet und günstig sind relativ grossflächige, unverglaste Kollektoren, z. B. in Form von Schläuchen unter der Dachhaut oder als Energiezaun erstellt. Im Sommer oder bei Sonneneinstrahlung wird das Sondenfluid auf eine Temperatur von 15 °C bis 30 °C erwärmt. Dieses kann dann zur Regeneration der EWS und/oder als Wärmequelle für die Wärmepumpe (für die Erwärmung des Warmwassers im Sommer) genutzt werden. Die Erdwärmesonde wird nicht nur regeneriert und liefert im Winter höhere Temperaturen, sie wird auch weniger belastet, da die Wärmepumpe einen Teil der Umgebungswärme vom Solarabsorber statt aus dem Boden bezieht. Damit kann die Sonde kürzer geplant werden, was auch die Baukosten senkt. In jedem Fall ergibt sich eine bessere Jahresarbeitszahl.

Es könnten auch übliche verglaste Warmwasser-Kollektoren für die Regeneration verwendet werden, diese sind aber viel teurer. Vorteil hier ist, dass eine Überhitzung der Kollektoren verhindert werden kann, wenn die Überschusswärme im Hochsommer zur Regeneration der EWS genutzt wird. Die Kollektoren können auch einen Teil des Warmwassers direkt erzeugen. Damit kann aber nur wenig Strom gespart werden, da eine Wärmepumpe, welche die Umgebungswärme ab Solarabsorber bezieht, bereits sehr effizient funktioniert. Im Winter hingegen liefern die Solarkollektoren nur wenig nutzbare Wärme, da dann nur wenig Solarstrahlung vorhanden ist.

Die andere Möglichkeit ist, die Erdwärmesonde im Sommer zur Kühlung des Hauses einzusetzen. Dabei muss die Wärmepumpe nicht eingeschaltet sein, das Wasser in den Heizungsrohren wird einfach direkt über einen Wärmetauscher durch das Sondenfluid gekühlt. Der Vorteil hierbei ist, dass nicht extra eine Klimaanlage installiert werden muss, was zusätzlich Geld und Strom spart.

 

 

 

Der Energiebedarf wird allein durch den Stromverbrauch der Umwälzpumpen im Sonden- und Heizkreislauf bestimmt. Falls effiziente Pumpen installiert wurden, ist dieser sehr gering. Die Anlage sollte so ausgelegt und betrieben werden, dass sich die mittlere Temperatur des Bodens über die Jahre nicht verändert.

Ein wichtiger Hinweis: Vor Eintritt in die EWS muss in jedem Fall das Fluid auf eine Temperatur unter ca. 25 °C gemischt werden. Höhere Temperaturen schädigen die Rohrleitungen aus PE langfristig, ausser es seien EWS aus PE-X installiert.

Eine Regeneration in jedem Fall planerisch vordenken

Insbesondere wenn eine EWS mit reinem Wasser betrieben wird, ist eine Regeneration eine gute Versicherung gegen zu tiefe Temperaturen im Sondenkreis.

Ein anderes Beispiel ist, wenn eine bestehende Wärmepumpe mit einer neuen und effizienteren ersetzt wird, oder wenn das Sondenfluid gewechselt wird. Es kann sein, dass die EWS zu kurz für die neue Anlage ist, wodurch eine Vereisung zu befürchten wäre. Eine nachträglich ermöglichte Regeneration kann diese Probleme beheben und die Sonde für beliebig lange Zeit voll funktionstüchtig erhalten.

Die Nachrüstung einer Regeneration sollte in jedem Fall planerisch angedacht werden, um ein eventuelles zu starkes Absinken der Temperatur im Sondenkreis bei Bedarf verhindern zu können. Ideal dafür ist eine Deckenheizung, mit welcher im Sommer gekühlt werden kann.

Um die Regeneration zu verbessern, hilft auch hier thermisch verbessertes Hinterfüllmaterial deutlich.

• 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.

• 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.

• 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].

• Erdwärmesonden-Rohre werden aus Polyethylen hergestellt
• PE 100 ist heute in verbesserter Version erhältlich
• Für höhere Temperaturen werden Rohre aus vernetzem Polyethylen (PE-X) verwendet
• Druckfeste Rohre für tiefe EWS

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Erdwärmesonden-Rohre werden aus Polyethylen hergestellt

Erdwärmesonden (EWS) werden in der Schweiz üblicherweise mit Doppel-U-Rohren aus hochfestem Polyethylen (PE 100) erstellt. PE 100 ist ein gut biegbares und gut schweissbares Material, was seine Verwendung vereinfacht.

Der Aussendurchmesser der Rohre beträgt 25, 32 oder 40mm, die Wandstärke 2.3, 2.9 oder 3.7mm. Es gibt auch Rohre mit grösseren Durchmessern, diese haben aber auch eine grössere Wandstärke, was die Wärmeübertragung an das Sondenfluid behindert (50mm, Wandstärke 4.6mm und 63mm, Wandstärke 5.8mm). Sie können aber für die horizontale Verbindung ins Haus genutzt werden.

PE-Rohre mit Durchmesser 25mm sind höchstens für kurze EWS bis ca. 60m Tiefe geeignet. Für tiefere Sonden ist der optimale Durchmesser abhängig vom Sondenfluid und der Rohrlänge, und hat einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf die Jahresarbeitszahl der Anlage. Mehr Details finden Sie unter dem Thema Hydraulik.

PE-Rohre für EWS werden in der Druckstufe PN 16, bis max. 20 bar Druck, und mit dem Durchmesser zu Wandstärkeverhältnis SDR 11 hergestellt. Höhere Druckstufen würden zu grösseren Wandstärken führen, was aufgrund der schlechteren Wärmeübertragung nicht sinnvoll ist. Diese Rohre sind für EWS bis 250m Tiefe problemlos geeignet. Bei tieferen Sonden muss sichergestellt sein, dass das Bohrloch nicht trocken ist. Bei einer mit Wasser gefüllten Sonde wird sonst der hydrostatische Innendruck (1 bar pro 10m Tiefe) zu hoch und die Sonde kann aufplatzen.

Aufgrund der geringen thermischen und mechanischen Belastung üblicher Erdwärmesonden kann von einer Lebensdauer von 100 Jahren und mehr ausgegangen werden.

Es sollten nur EWS-Rohre von renommierten Herstellern mit Qualitätsnachweis verwendet werden. Falls ein minderwertiges Material eingebaut würde, kann dieses im Schadensfall nicht mehr ersetzt werden und die Sonde muss neu gebohrt werden.

PE 100 ist heute in verbesserter Version erhältlich

Das Standardmaterial PE 100 (hochfestes Polyethylen) wird heute in der Qualität PE 100 RC angeboten. Diese Rohre sind gegenüber ihren Vorgängern weniger anfällig auf mechanische Schäden, sie sind zäher und kerb-unempfindlicher.

PE 100-Rohre sollten nur für Fluide bis zu einer Temperatur von max. 25ºC verwendet werden. Darüber nimmt ihre Lebensdauer ab, da die Materialfestigkeit sinkt.

Für höhere Temperaturen werden Rohre aus vernetztem Polyethylen (PE-X) verwendet. 

Als Alternative zu PE 100-Rohren werden EWS-Rohre aus vernetztem Polyethylen (PE-X) angeboten. Diese haben dieselben Eigenschaften wie Rohre aus PE 100 RC, sind aber unempfindlicher gegen hohe Temperaturen. Falls eine EWS-Anlage mit Temperaturen über 25°C im Fluid regeneriert werden soll (z.B. von einem Solarabsorber), oder der Rückkühlung einer Kältemaschine dienen soll, dann ist PE-X als Rohrmaterial zu empfehlen.

Druckfeste Rohre für Tiefe EWS

Um tiefere EWS bauen zu können, sind Rohrmaterialien mit höherer Festigkeit und möglichst guter Wärmeleitfähigkeit gefragt. Dazu müssen Rohre mit höheren Druckstufen hergestellt werden. Die Rohre müssen dabei für den Transport flexibel biegbar (z. B. aufrollbar) bleiben und sollten schweissbar sein.

Seit 2012 gibt es einen Hersteller, der mit Stahl armierte Rohre für tiefe EWS anbietet. Diese können Druckstufen bis 50 bar und mehr erreichen, so dass EWS bis in Tiefen von 500 m und mehr erstellt werden können.

Rohre aus Metall sind nur bedingt empfehlenswert. Sie sind teurer als Rohre aus PE, und sowohl Kupfer wie auch rostfreier Stahl können je nach Bodenbeschaffenheit mit der Zeit korrodieren. Eine lange Lebensdauer kann deswegen nicht in jedem Fall garantiert werden. Metallrohre werden denn auch kaum je angewendet.

Eine Bohrung für eine Erdwärmesonde (EWS) ist idealerweise eine senkrechtes und leeres Loch, begrenzt durch kompaktes Erdreich oder Gestein. Darin wird die EWS abgesenkt, theoretisch natürlich so, dass die Sondenrohre immer denselben Abstand zueinander haben und parallel verlaufen. Speziell geformte Abstandshalter, in regelmässigen Abständen befestigt, sollen den regelmässigen Abstand über die gesamte Sondenlänge sicherstellen. Damit soll der Gegenstrom-Wärmetauschereffekt, der zwischen den Vor- und Rücklaufrohren wirkt, verringert werden.

In der Praxis ist es aber durchaus wahrscheinlich, dass die Bohrung nicht genau senkrecht verläuft. Die Bohrung kann unbeabsichtigt schräg oder gebogen verlaufen. Die Bohrlochwände können leicht ausbrechen oder Klüfte anschneiden. Zudem werden die EWS-Rohre unkontrolliert eingebracht und verdrehen sich über die Sondenlänge. Der Abstand der einzelnen Rohre und ihre Position zueinander verändern sich laufend.

Die heute angebotenen Abstandshalter funktionieren nicht

In der Praxis ist die Montage der heute angebotenen Abstandshalter kaum machbar, die Abstandshalter verschieben sich unkontrolliert, der Zeitaufwand ist zu gross und die EWS kann beim Einbringen leicht verklemmen.

Versuche und Messungen zeigen zudem, dass der Nutzen der Abstandshalter nur sehr gering ist, solange die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf 5 °C nicht überstiegt und es sich nicht um sehr tiefe Erdwärmesonden (ab 400 m) handelt.

Im horizontalen Verbindungsstück sollte der Vorlauf gedämmt werden

Die horizontalen, in circa 1m Tiefe verlegten Verbindungsleitungen hingegen sollten getrennt und der Vorlauf aus der Sonde (zum Verdampfer) sollte gedämmt werden. Um die Verbindungsleitungen zu verlegen, wird ein schmaler Graben ausgehoben, der am besten wie folgt aufgefüllt wird (siehe auch das Bild). Ganz unten in einem Sandbett wird der (kalte) Rücklauf zur EWS hin verlegt. Darüber folgt eine circa 0.3 bis 0.4m breite Dämmplatte, wie sie für Perimeterdämmungen verwendet wird. Darauf wird nochmals eine dünne Sandschicht gelegt, welche den (warmen) Vorlauf enthält, und das ganze wird gegen oben nochmals mit einer gleichen Dämmplatte isoliert.

Zum Beispiel können Foamglas-Dämmplatten mit ca. 3 cm Dicke und 30 cm Breite verwendet werden. Eine andere Möglichkeit ist, den Vorlauf mit einem verrottungssicheren Dämmschlauch zu dämmen, was aber oft schwieriger zu machen ist. Zudem gibt es kaum geeignete Produkte.

Wenn das Verbindungsstück auf diese Weise installiert wird, kann ein Temperaturverlust im wärmeren Vorlauf vermieden werden, und der Rücklauf kann trotzdem schon Wärme von unten aufnehmen. Diese Dämmung wirkt umso besser, je tiefer die Erdwärmesonde ist. Sie ist insbesondere zu empfehlen, wenn die EWS mit reinem Wasser gefüllt ist.

• 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.
 

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.

• 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.