• 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

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].