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Erdwärmepumpe - Heizen mit Wärme aus der Erde

Das Erdreich ist ein guter Wärmespeicher, da die Temperaturen das gesamte Jahr hinweg mit 7 bis 13 °C (in 2 m Tiefe) relativ gleichmäßig sind. Horizontal verlegte Erdkollektoren und vertikal in die Erde eingebrachte Erdsonden fördern die gespeicherte Wärme mit einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Sole) zum Verdampfer der Sole/Wasser-Wärmepumpe.

Erdwärmepumpe mit Erdkollektor


Hierbei entziehen großflächige Kunststoffrohrsysteme dem Erdreich seine Wärme. Unter der Wärmequelle "Erdreich" versteht man die oberste Erdschicht bis zu einer Tiefe von etwa 5 Metern. Die Wärme wird mit einem Wärmetauscher gewonnen, der in einer unbebauten Fläche in der Nähe des Gebäudes verlegt wird, das beheizt werden soll. Die aus tieferen Schichten nach oben strömende Wärme beträgt nur 0,063 bis 0,1 W/Quadratmeter und scheidet als Wärmequelle für die oberen Schichten aus. Der Erdreichkollektor wird unter anderem durch Sonneneinstrahlung, Regen, Tauwasser regeneriert bzw. nutzt die Energie aus diesen Umwelteinflüssen für die Erdwärmepumpe.

Die Kunststoffrohre (PE) der Erdwärmepumpe befinden sich in einer Tiefe von 1,2 bis 1,5 m in der Erde. Die einzelnen Rohrstränge sollten nicht länger als 100 Meter sein, da die Druckverluste und damit die aufzubringenden Pumpenleistungen sonst zu hoch würden. Die Rohrstränge sollten jeweils gleich lang sein, um so identische Druckverluste und gleiche Bedingungen für die Durchströmung herzustellen. Auf diese Weise entzieht das Kollektorfeld dem Erdreich gleichmäßig die Wärme. Die Rohre sind an ihren Enden in etwas höher gelegenen Vor- und Rücklaufsammlern, der Entlüftung, zusammengefasst.

Jeder Strang sollte einzeln absperrbar sein. Die Sole wird mit einer Umwälzpumpe durch die Kunststoffrohre gepumpt und nimmt dabei die im Erdreich gespeicherte Wärme auf.

Eine geringe Vereisung des Erdreiches im unmittelbaren Bereich um die Rohre hat weder auf die Anlage der Erdwärmepumpe noch auf den Pflanzenwuchs nachteilige Folgen. Tief wurzelnde Pflanzen sollten jedoch nicht in der Nähe der Solerohre gepflanzt werden.

Das "entwärmte" Erdreich regeneriert sich im Frühjahr und Sommer durch die Sonneneinstrahlung und durch Niederschläge. So wird sichergestellt, dass auch zur nächsten Heizperiode der Wärmespeicher Erdreich wieder für Heizzwecke der Erdwärmepumpe zur Verfügung steht.

Flächen über Erdkollektoren sollten nicht bebaut oder versiegelt werden.

Beim Einsatz einer Erdwärmepumpe lassen sich die notwendigen Bewegungen des Erdreichs bei einem Neubau meistens ohne große Mehrkosten ausführen. Bei einem bestehenden Gebäude jedoch sind die Kosten meist so hoch, dass die Nachrüstung mit einer Erdwärmepumpe allein aus diesem Grund ausscheidet.

Erdwärmepumpe mit Erdkollektor

Leistungsgrenzen der Erdwärmepumpe mit Erdkollektor


Die nutzbare Erdwärme-Menge und damit die Größe der notwendigen Fläche hängen sehr von den thermophysikalischen Eigenschaften des Erdreiches und von der Einstrahlungsenergie ab, also von klimatischen Verhältnissen. Als Erdreich-Eigenschaften sind vor allem der Wasseranteil, die Anteile an mineralischen Bestandteilen, wie Quarz oder Feldspat, sowie der Anteil und Größe der luftgefüllten Poren ausschlaggebend.

Vereinfacht ausgedrückt: Die Speichereigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit sind um so größer, je mehr der Boden mit Wasser angereichert ist, je höher der Anteil der mineralischen Bestandteile ist und je geringer die Porenanteile sind.

Entzugsleistungen für das Erdreich

Bodenart Entzugsleistung qE
Trockener sandiger Boden 10 bis 15 W/Quadratmeter
Feuchter sandiger Boden 15 bis 20 W/Quadratmeter
Trockener lehmiger Boden 20 bis 25 W/Quadratmeter
Feuchter lehmiger Boden 25 bis 30 W/Quadratmeter
Grundwasserführender Boden 30 bis 35 W/Quadratmeter

Erdwärmepumpe mit Erdsonde


Während für die Verlegung der Erdkollektoren einer Erdwärmepumpe in mehr als 1 Meter Tiefe größere Erdbewegungen nötig sind, ist die Verankerung einer Erdsonde mit modernen Bohrgeräten innerhalb weniger Stunden erledigt. Bei Erdwärmepumpen-Anlagen mit Erdsonden ist die Bestimmung der Anordnung und Bohrtiefe besonders wichtig. Hier sollten Geologen und spezialisierte Bohrfirmen mit entsprechendem Fachwissen zu Rate gezogen werden. Außerdem kann mit diesen Spezialunternehmen vertraglich eine Entnahmeleistungs-Garantie (z. B. für 10 Jahre) für eine Erdwärmepumpe vereinbart werden. Für solche Anlagen muss in Deutschland eine wasserrechtliche Erlaubnis eingeholt werden. Das Wasser-Wirtschaftsamt ist für Bohrungen bis 100 m Tiefe zuständig. Tiefergehende Bohrungen müssen vom zuständigen Bergbauamt zusätzlich genehmigt werden.

In die Bohrung wird eine vorkonfektionierte Sonde eingeführt und anschließend wird der Hohlraum zwischen Sondenrohr und Bohrung mit Füllstoff verpresst. Meist werden dabei vier Rohre parallel eingesetzt (Doppel-U-Rohr-Sonde). Die Kosten für die Erstellung einer Bohrung inklusive der Sonde belaufen sich je nach Bodenbeschaffenheit auf 30 bis 50 €/Meter. Für ein typisches Einfamilienhaus in Niedrigenergiehaus-Bauweise ist eine Erdwärmepumpen-Heizleistung von etwa 6 kW zur komfortablen Beheizung notwendig, dazu ist eine Bohrungstiefe von etwa 100 Meter erforderlich. Damit ergeben sich Bohrungskosten zwischen 3000 und 5000 Euro.

Voraussetzung für die Planung und die Verankerung von Erdwärmesonden ist die genaue Kenntnis der Bodenbeschaffenheit, der Schichtenfolge, des Bodenwiderstandes. Darüber hinaus sollten Grund- oder Schichtenwasser mit Wasserstandsbestimmung und dessen Fließrichtung vorhanden, bzw. bekannt sein. Bei einer Erdwärmepumpen-Anlage mit Doppel-U-Rohr-Sonde ist bei normalen hydrogeologischen Bedingungen eine mittlere Sondenleistung mit 50 W/Meter Sondenlänge (gemäß VDI 4640) zu erwarten. Befindet sich die Sonde in einem ergiebigen Grundwasserleiter, können noch höhere Entzugsleistungen erzielt werden.

Die Sole der Erdwärmepumpe strömt in zwei Rohren vom Verteiler aus nach unten und wird durch zwei weitere Rohre wieder nach oben zum Sammler zurückgeführt.

Als Arbeitsmedium im Erdkollektor oder in der Erdsonde wird Sole, also ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, eingesetzt, so dass keine Gefahr des Einfrierens besteht.

Erdwärmepumpe mit Erdsonde

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