Was ist eine Erdwärmesonde (EWS)?
Ein meist vertikal eingebrachter Wärmetauscher aus Kunststoffrohren bis in ca. 400 m Tiefe ("Teufe").
In Deutschland gelten besondere Bestimmungen durch das Bergrecht ab 100 m Tiefe.
S. SIA www.sia.ch , www.webnorm.ch , DIN 8901, DIN 4279, Leitfäden der Bundesländer,
z.B. Leitfaden Baden-Württemberg: um.baden-wuerttemberg.de/fileadmin/redaktion/m-um/intern/Dateien/Dokumente/2_Presse_und_Service/Publikationen/Umwelt/050506_Leitfaden_-_Nutzung_von_Erdwaerme.pdf
VDI 4640 Thermische Nutzung des Untergrundes, Bl. 2 Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen, s. www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-4640-blatt-1-thermische-nutzung-des-untergrunds-grundlagen-genehmigungen-umweltaspekte
Siehe auch auf dieser Homepage die Beiträge unter Veröffentl. Erdwärme bzw. Vorträge Erdwärme.
Was ist der Vorteil der teureren erdgekoppelten WP gegenüber einer Luft-Wasser-WP?
- Höhere COP und JAZ, wesentlich effizienter bei sehr niedrigen Aussentemperaturen wenn man die
Wärme speziell braucht
- Keine Vereisung von Luftkanälen bei feucht-kalten Bedingungen mit teuren (elektrischen!) Auftauzyklen
- Keine störenden Luftgeräusche im Haus bzw. für nahe, sensible Nachbarn
- Kühlung im Sommer fast zum Nulltarif geht ohne Klimaanlage nur mit EWS!
- Geringer Platzbedarf, keine spezielle Platzierung im Keller, keine Ansaug- und Austrittsöffnungen
und -richtungen für die Luftversorgung
- Die EWS ist ein geschlossener Kreislauf, die Luft-WP ein offenes System mit ggf. Verunreinigungen,
Filterwechsel, "Kleingetier" etc.
- Bei einem Strahlungsalarm sollte man die Luft-Wärmepumpe abstellen sonst holt man sich die
radioaktiven Partikel ins Haus wenn die WP im Keller steht
Wer erstellt die Bohrungen?
Spezialisierte Bohrunternehmen
Schweiz: Gütesiegelliste für Erdwärmesonden: www.fws.ch/unser-adressportal/bohrfirmen-mit-guetesiegel/
BRD: Zertifizierung von Bohrunternehmen für Erdwärmesonden und Grundwasser,
DVGW-Zertifizierung, W120-2, in Anlehnung an das Schweizer Gütesiegel
Wie verhält sich die Erdwärmesonde (EWS) im langjährigen Betrieb?
Die Ergiebigkeit einer EWS hängt überwiegend vom mittleren Wärmeentzug und der Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes ab. Als grober Richtwert wird für die Spitzenbelastung bei voller Leistung der Wärmepumpe ein Wärmeentzug von 50 W/m Sondenlänge (Duplex-Sonde) benutzt. Dies bedeutet, dass der mittlere Entzugswert in der Heizperiode ca. 30 W/m erreicht. Ist eine EWS nicht zu hoch belastet, regenerieren sich die Temperaturen um die EWS im Laufe des Sommers wieder (s. eigene Messungen: "Messungen > EWS-Jahrestemperaturen" Bild G06 sowie "Erdwärmesonden" A17). Selbst eine geringe Wasserdurchlässigkeit im Untergrund verbessert die langjährige Effizienz beträchtlich.
Die Direkte Kühlung (free-cooling bzw. geo-cooling) im Sommer kann helfen, überbelastete EWS zu regenerieren.
>S.a. Stromverbrauch, Bohrlochwiderstand, Vereisung, Reserven.
Unsere Erdsonden-Sole wurde wegen einer Störung der Wärmepumpe 2022 (nach 36 Jahren) chemisch-biologisch untersucht, s. "Erdwärmesonden" A20 und A21. Der Frostschutz war noch bei ausreichenden -10 °C. Die Sole war in Ordnung bis auf Pilzfäden (sog. Bio-Schlamm), die den Wärmetauscher und den Solefilter zugesetzt hatten. Nach einer Spülung der Sole und des Wärmetauschers war es wieder in Ordnung. Es kann sein, dass die etwas höheren Sole-Temperaturen im Sommer bis 17 °C durch das Geocooling dies verstärkt haben. Ggf. kann man die EWS ca. alle 15 Jahre einmal im Gegenstrom spülen lassen.
Welche Voraussetzungen sollten für eine Erdwärmeheizung vorliegen?
Der Heizbedarf bestimmt die Erdwärmesondenlänge. Der Wirkungsgrad (Effizienz) wird vor allem durch die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (EWS) und Wärmeverteilung (Flächenheizung) beeinflusst (klassische Werte: 0 °C/35 °C).
Steigt die Leistung der EWS, wenn man im Sommer zusätzlich kühlt?
Grundsätzlich nein, d.h. man kann damit eine zu kurz gebohrte EWS nicht retten. Allerdings steigt die Effizienz leicht, da man im Herbst bei einer erhöhten Ausgangstemperatur startet. Die Regenerierung der EWS wird verbessert, so dass ggf. ein kontinuierliches Absinken der Starttemperatur aus dem Jahr der Bohrung vermieden werden kann, dies besonders dann, wenn der Untergrund schlecht wärmeleitet. S.a. FAQ-Kühlung sowie Diagramm "Erdwärmesonden" A17.
Kann man die EWS im Sommer über Solarkollektoren regenerieren?
Die EWS entziehen dem Untergrund Wärme. Es braucht Monate, ggf. Jahre, bis die ursprüngliche Temperaturverteilung um die EWS durch Wärmeleitung wiederhergestellt ist (Regeneration). Solarkollektoren (Solarthermie) produzieren Wärme, die man ggf. der EWS im Sommer zuführen könnte. Grundsätzlich geht das über einen Plattenwärmetauscher. Vorsicht ist geboten, wenn die EWS dabei mit höheren Soletemperaturen beaufschlagt wird, die die Lebensdauer der Sonde stark beeinträchtigen kann. Bei der Regenerierung über die Fussbodenkühlung ist die max. Temperatur der Sonde ca. 16-17 °C. Eine starke Regenerierung der EWS mit Solarwärme behindert und verschlechtert ggf. die Kühlung über das Fussbodenregister und erhöht das Risiko einer erhöhten Bio-Schlammbildung in der Sole, s.o..
Wie lange hält eine EWS?
EWS aus Kunststoff (PE, HDPE) müssen nur Temperaturen von ca. 0 °C bis ca. 17 °C „ertragen“. EWS haben rechnerisch (!) eine Lebensdauer von >100 Jahren. Ausfälle sind extrem selten. Echte Langzeitmessungen fehlen, s. aber eigene Messungen über nun 37 Jahre (!), "Erdwärmesonden" Diagramm A17. Die Druckdifferenzen zwischen Innen- und Aussendruck am Rohr über der Tiefe sind in der Regel unbekannt und wurden nur selten in Entwicklungsprogrammen bestimmt. Beschädigungen beim Einbau der Sonde sollten möglichst vermieden werden (Handhabung, Hinterfüllung).
Welche Untergründe eignen sich für EWS?
Es braucht eine Bohrbewilligung (Schweiz: Departement Bau, Verkehr und Umwelt, bzw. Gewässerschutzamt Kanton, BRD: Untere Wasserbehörde). Grundwasserschutz hat Priorität, gute Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes und ggf. Wasserdurchlässigkeit sind positiv. Ein geringes Bohrrisiko besteht und sollte mit einer Arteser-Versicherung vom Bauherren oder Bohrfirma abgedeckt werden. Entzugseinschränkungen werden auch durch gefrierende Grundwässer, Vereisungen, trockenen Kies und Schotter sowie Hohlräume verursacht.
Wie hoch sind die Bohrkosten, was beinhalten sie?
EWS-Bohrungen sind in den letzten 25 Jahren eher günstiger geworden. Die Bohrunternehmen sind professioneller, haben mehr Erfahrung und leistungsfähigere Bohrgeräte. Für Einzelbohrungen kann man als Richtwert ca. CHF 80.-/m bzw. ca. € 65.-/m in Deutschland ansetzen (Stand 2015). Dies schliesst die EWS und die Hinterfüllung mit ein. Nur Fixpreise von akkreditierten Bohrfirmen mit Gütesiegel akzeptieren.
EWS-Felder oder spezielle Tiefbohrungen sind mit grosser Sorgfalt zu planen.
Was ist die Hinterfüllung der EWS?
Bentonit (Al2O3·4SiO2·2H20) + Zement+Wasser im Verhältnis 100 kg Bentonit zu 200 kg Zement + 900 l Wasser=
1 m3 mit einer Dichte von ca. 1.2 g/cm3) oder Spezialmischungen. Sie müssen gut pumpfähig sein, werden fest, aber bleiben duktil, s. Zementation VDI-Richtlinie 4640. Die Hinterfüllung macht den gut wärmeleitenden Kontakt zwischen EWS und Untergrund und dichtet das Bohrloch ab, dass keine verschiedenen Fliesshorizonte miteinander verbunden werden. Neuerdings wird sogar Bentonit mit speziellen (besser wärmeleitenden) Zusätzen verwendet.
Soll man eine tiefe EWS oder zwei halb so tiefe EWS bohren lassen?
Bohrfirmen bevorzugen heute eine Bohrung (bis ca. 240 m Tiefe) statt zwei halb so tiefe Bohrungen
(Ein Haus - eine Bohrung). Geringeres Bohrrisiko bieten zwei statt eine Bohrung und haben kleineren Strömungswiderstand (Parallelschaltung). Bohrungen sollten etwa 6 bis 10 m Abstand voneinander haben. Will man vor allem kühlen, sind Bohrungen unter 100 m Tiefe günstiger.
Was ist bei der Installation einer Sonde zu beachten?
Qualifizierte Bohrfirma bevorzugen; Zugänglichkeit für Bohrgerät; ggf. Strassensperrung; Sammel- und Entlüftungsschacht in Hausnähe oder direkt im Keller. Bei gosser Platznot kann man auch etwas schräge Bohrungen unter ein Gebäude machen lassen, um einen Mindestabstand von > 6 m zu erreichen.
Wer trägt das Bohrrisiko?
Die Bohrfirma. Der Erfolg der EWS wäre ohne die Übernahme des Bohrrisikos durch die Bohrfirmen nicht möglich gewesen und wir hätten 1985 auch nicht in Untersiggenthal als Erste gebohrt. Heute sind es in Untersiggenthal über 100 Gebäude, die mit EWS beheizt werden, s. "Situation" > Geologie [B06, B09, B10]. Akzeptieren sollte man nur einen Fixpreis mit Arteser-Versicherung. Bei der grossen Anzahl von Bohrungen bleibt das Risiko für die Bohrfirma (!) kalkulierbar.
Kann man eine EWS reparieren?
Im Bohrloch nein, Zuleitungen kann man ausgraben und reparaturschweissen. Bei Duplex-Sonden aus Kunststoff gehen Reparaturen leichter als bei metallischen Koaxial- oder CO2-Sonden.
Wie kann man das Temperaturverhalten der EWS einfach bestimmen?
Eine gute mittlere Temperatur der EWS erhält man, wenn man ca. alle 2 Wochen die Umwälzpumpe der EWS ca.
1 h bis 1.5 h laufen lässt (ohne dass die WP läuft!) und dann am WP-Controller die Temperatur des Kältekreises abliest (Auflösung ±0.1 K).
Die Umwälzung der Sole in der EWS geht z.B. meist mit der Option „Entlüften“ der WP. Aufgetragen über dem Jahr, ergibt sich ein guter Anhaltswert über die Belastung der EWS in der Heizperiode und der Regenerierung im Sommer, s. eigene Messungen: "Messungen > EWS-Jahrestemperaturen" G06 sowie "Erdwärmesonden" A17.
Wie lange sind die Amortisationszeiten einer EWS-Anlage mit WP?
S. VDI 2067, abhängig von den Energiekosten im Vergleich zu Öl, Gas, Strom.
Amortisation im Neubau sollte man aus der Differenz der Investitionskosten zu einer anderen Wärmeversorgung rechnen, s. z.B. "Veröffentlichungen" [13]+[15], sowie "Vorträge" [12] und [13]
Richtwerte:
Ab Ölkosten von ca. 40 €cent/l und Strompreisen von ca. 10 €cent/kWh ist die Heizung mit EWS und WP günstiger. Diese Preise sind ja ab 2000 relativ sicher gegeben.
Ist es wirtschaftlich rentabel, wenn man sich mit 60 Jahren für die Installation einer EWS mit Wärmepumpe entschliesst?
Wenn man älter als 70 Jahre alt werden will, ja. Der Wert des Hauses steigt, die Erben werden es danken. Hinzu kommen der Verzicht auf fossile Brennstoffe (Klima) und eine reduzierte Auslandsabhängigkeit.
Die Lebensdauer einer Wärmepumpe ist ca. 20 Jahre, die der EWS ca. 100 Jahre (kaum genau zu ermitteln, da weder Druckdifferenz am Sondenkopf noch Erfahrungen vorliegen).
Regeneriert sich eine Erdwärmesonde?
Jede EWS erholt sich mit der Zeit, d.h. sie wird irgendwann (ggf. nach Jahren) wieder die Durchschnittstemperatur des umgebenden Erdreichs haben, da die Wärmeleitung die Temperaturdifferenzen minimiert.
Je besser die Wärmeleitung, umso schneller der Ausgleich. Entzieht man der EWS zuviel Wärme, schafft sie das ggf. bis zur nächsten Heizperiode nicht vollständig. Dass sich die EWS "verbraucht" und nach Jahren ersetzt werden muss ist Unsinn.
Warum regeneriert sich Ihre EWS so gut?
Eigentlich ist die Wärmeleitfähigkeit mit ca. 1.5 W/mK in der Oberen Süsswassermolasse nicht gerade hoch, s. "Erdwärmesonde"; Bild A17 bzw. "Situation > Geologie" B07. Da das Gebäude am Hang liegt, könnte eine geringe Wasserdurchlässigkeit der Moräne und der Molasse (es genügt 1 m/Monat!) den Wärmetransport vorteilhaft beeinflussen.
s.a. Bilder und Diagramme "Erdwärmesonden".
Gab es Defekte oder Mängel?
Die Lebensdauer einer EWS kann man auf >100 Jahre ansetzen. Unsere EWS wurde 1985 mit Hahnenwasser (normales Leitungswasser) und Glykol für eine Frostsicherheit bis ca. -20°C gefüllt. 2022 hatten wir eine Fehleranzeige der WP. Es stellte sich heraus, dass der Sole-Wärmetauscher verstopft war sowie die Sole-Umwälzpumpe und das Ausdehnungsgefäss des Solekreislaufes defekt war. Die biologisch-chemische Analyse ergab sog. Bio-Schlamm in der Sole, s. "Erdwärmesonden" A20 und A21. Durch das geo-cooling wird die Sole im Sommer bis ca. 17°C erwärmt, s. "Erdwärmesonden" A17. Die Sole wurde in beide Richtungen gründlich gespült und die defekten Teile ersetzt. Auch eine selbst zusammengestellte Spüleinrichtung, s. "Erdwärmesonden" Bilder A22-A24 mit einem 80 µm Filter wurde eingesetzt.