5 Wärmequelle Erdreich

Das Erdreich speichert eingestrahlte Sonnenenergie, in Form von Wärme aus Regen und Wind sowie durch direkte Sonnenstrahlung. Der Wärmegewinn aus dem Erdinneren ist dabei vernachlässigbar klein. Die gespeicherte Wärme wird über die horizontal oder vertikal verlegten Erdwärmetauscher auch als Erdkollektoren oder Erdsonden bezeichnet entzogen.

Wärmefluss

Bild: Wärmefluss aus dem Erdreich

5.1 Erdreich Flächenkollektor

Das Erdreich ist ein guter Wärmespeicher, um eine monovalente Elektro-Wärmepumpe wirtschaftlich zu betreiben. Die Temperatur im Erdreich nahe der Oberfläche liegt entsprechend der Jahreszeit zwischen 5 °C bis 17 °C. Ein Rohrschlangensystem wird ca. 0,2 m unterhalb der Frostgrenze (in etwa 1m bis 1,2 m Tiefe> verlegt. Der Rohrabstand soll ca. 0,6 m bis 0,8 m betragen. Bei Neubauten ist die Verlegung problemlos möglich, da sowieso zahlreiche Erdarbeiten vorgenommen werden müssen.

Flächenkollektoren

Bild: Aufstellung mit Flächenkollektoren

Ein frostsicherer Hilfskreislauf (Sole) nimmt die Erdwärme auf und überträgt diese Wärme über den Verdampfer an das Arbeitsmittel der Wärmepumpe. Die Verteiler und die Sammler sollten immer in einem Schacht am höchsten Punkt des Geländes untergebracht werden, um eine ordnungsgemäße Entlüftung zu gewährleisten. Außerdem sollten die Schächte gut zugänglich sein, damit die Montage und Kontrolle der Kollektoranlage leicht möglich ist. Alle Stränge müssen gleich lang sein, wobei die Länge der einzelnen Rohre 100 m nicht überschreiten sollte.Die Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches nimmt mit steigendem Wassergehalt zu. Ideal sind daher lehmigfeuchte Böden. Die Erfahrung zeigt, dass hier im Mittel eine Leistung von ca. 25 W/m2 ständig entnommen werden kann.

Spezifische Wärmeentzugsleistung in Abhängigkeit der Bodenqualität
Bodenqualität Spez. Wärmeentzugsleistung
trockener, sandiger Boden 10-15 W/m2
feuchter, sandiger Boden 15-20 W/m2
trockener, lehmiger Boden 20-25 W/m2
feuchter, lehmiger Boden 25-30 W/m2
grundwasserführender Boden 30-35 W/m2

Mit Hilfe der spezifischen Wärmeentzugsleistung können die Kollektorgröße und die notwendige Rohrlänge bestimmt werden. Bei der Planung des Erdkollektors ist stets nach den Angaben des Wärmepumpenherstellers zu verfahren. Der Wärmeentzug aus dem Erdreich beeinträchtigt den Pflanzenwuchs nicht. Da das Erdreich nur durch Solarwärme aufgeladen wird und nicht durch geothermische Wärme, darf das Erdreich im Bereich des Erdkollektors nicht nachträglich überbaut, gepflastert oder asphaltiert werden. Zur Nutzung der Wärmequelle Erdreich wird mindestens das max. zweifache der zu beheizenden Wohnfläche an Grundstücksfläche benötigt.

Übersicht Wärmequelle Erdreich Flächenkollektor
Erdreichtemperatur 5 °C bis 17 °C nahe der Oberfläche
8 °C bis 12 °C in ca. 1,5 m Tiefe
Soletemperatur minimal ca. 0 °C
Verfügbarkeit ganzjährig
Betriebsweisen vorzugsweise monovalent, in Ausnahmefällen auch monoenergetisch
Erschließung Erdreichwärmetauscher (Rohrschlangen, etc.),
Erdarbeiten und Baumaßnahmen

5.2 Erdreich Erdsonde

Eine Alternative zum Wärmeentzug per Flachkollektor sind Erdsonden. Das Erdreich hat von ca. 10 m Tiefe an das ganze Jahr eine relativ konstante Temperatur von etwa 8 °C bis 10 °C. Ein frostsicherer Hilfskreislauf (Sole) nimmt die Erdwärme auf und überträgt diese Wärme über den Verdampfer an das Arbeitsmittel der Wärmepumpe. Für die Erdsonde wird in einem Spül oder Hammerbohrverfahren eine ca. 20 cm große Bohrung erstellt. In diese Bohrung wird die Erdsonde eingebracht. Diese vertikalen Erdsonden reichen in Tiefen von bis zu 100m. Das System bietet sich beim Neubau von Ein und Mehrfamilienhäusern, selbst bei kleinsten Grundstücken, an.

Es werden verschiedene technische Ausführungen und Installationsverfahren angewendet. Die Sonden bestehen in der Regel aus 4 parallel eingesetzten PE-Rohren.

Die Sole strömt in zwei Rohren vom Verteiler aus nach unten und wird durch zwei weitere Rohre wieder nach oben und zum Verteiler zurückgeführt. Eine andere Variante besteht aus koaxialen Rohren mit einem inneren Rohr für die Zuleitung und einem äußeren Rohr für die Rückführung der Sole in den Verteiler.

Erdsonden

Bild: Links: Rohr-in-Rohr-System, Rechts: Doppel-U-Rohrschleifen

Genehmigung: Für das Einbringen und Betreiben dieser Erdsonden muss eine wasserrechtliche Erlaubnis von der zuständigen Kreisverwaltungsbehörde (Landratsamt) eingeholt werden. Der Bauherr ist Antragsteller. Die Betriebserfahrungen zeigen, dass bei guten hydrologischen Bedingungen vor allem bei Vorhandensein von fließendem Grundwasser ein monovalenter Wärmepumpenbetrieb ohne dauerhafte Abkühlung des Erdreichs möglich ist.

Voraussetzung für die Planung und Einbringung von Erdreichsonden ist die genaue Kenntnis der Bodenbeschaffenheit, der Schichtenfolge, der Wärmeleitfähigkeit des Bodens sowie das Vorhandensein von Grund oder Schichtenwasser mit Wasserstandsbestimmungen und dessen Fließrichtung. Bei einer Erdsondenanlage kann bei günstigen hydrologischen Bedingungen von einer mittleren Sondenleistung von 60 bis 100 W/m Sondenlänge ausgegangen werden. Befindet sich die Sonde in einem ergiebigen Grundwasserleiter, können auch noch höhere Entzugsleistungen realisiert werden.

Übersicht Wärmequelle Erdreich Erdsonde
Erdreichtemperatur 8 °C bis 10 °C
Soletemperatur minimal ca. 0 °C
Verfügbarkeit ganzjährig
Betriebsweisen vorzugsweise monovalent, in Ausnahmefällen auch monoenergetisch
Erschließung Genehmigungsverfahren Erdsonde, Erdarbeiten und Baumaßnahmen, geringer Platzbedarf

Erdsonden

Bild: Aufstellung mit Vertikal-Kollektoren