Solegeführte Erdwärmeabsorber eine Energiequelle der Zukunft Nachhaltiges Wärmemanagement mit oberflächennaher Geothermie

Erdwärmeabsorber (EWA) liegen nicht auf dem Dach, sondern unter der Grasnarbe im frostsicheren Bereich. Natürlich sind die Temperaturverhältnisse in den Wärmequellenanlagen sehr unterschiedlich; bei der Erdwärme sicher einiges niedriger als in den Spitzen des solarthermischen Kollektorfeldes, doch dafür nahezu konstant über das gesamte Jahr, eben durch die Speichermasse des Untergrunds.
Verbindende Gemeinsamkeit dieser Wärmequellenanlagen ist der solegeführte Absorber, der sich lediglich in der Bauart und dem Glykolanteil unterscheidet. Trotz der niedrigen Temperatur von 5 – 8°C in diesem Bereich. Sofern er weder beschattet noch überbaut ist, weisen gerade diese Temperaturen einen Vorteil auf: Die Möglichkeit der Kühlung bei entgegengesetzter Wärmesenke. Überdies besitzen beide Anlagenkomponenten das Potenzial, sich gegenseitig zu optimieren.
Solegeführter Erdwärmeabsorber sind in ihrer Funktion Wärmeübertragungssysteme im oberflächennahen Untergrund und im klassischen Sinne als natürliche Wärmequellenanlage zu bezeichnen. Die Wärmeübertragung kann sowohl passiv als auch aktiv erfolgen. Sie unterscheiden sich in Größe und Leistung, was sich in Rohrlängen und Rohrquerschnitten ausdrückt, sowie der Art des Wärmeentzugs.
Ein passiver Wärmeentzug erfolgt lediglich durch die Zwangszirkulation des Solekreises durch den Erdwärmeabsorber in Richtung der Wärmesenke. Dies geschieht auf kalte Frischluft im Winter oder mit umgekehrter Wärmesenke von der warmen Luft im Sommer auf das Erdreich im Untergrund. Ein aktiver Wärmeentzug geschieht beispielsweise über den Erdwärmeabsorber als Wärmequellenanlage für eine Wärmepumpe. Die Bauarten dieser Erdwärmeabsorber sind sehr ähnlich, unterscheiden sich aber in den Leistungsbereichen und somit in ihren Baugrößen.
Das Material ist im klassischen Sinne ein PE-HD Rohr in den Dimensionen DA 20 DA 25, DA 32, DA 40 usw. Unterschiede gibt es noch in der Wandungsdicke, die sich auf die Biegsamkeit in der Verarbeitung auswirkt, aber auch die Wärmeübertragung beeinflusst. Um hydraulische Widerstände zu reduzieren, sollte man aber auf enge Verlegekurven verzichten. Die klassische Anwendung von solegeführten Erdwärmeabsorbern ist die natürlichste: Im Erdreich ohne versiegelte Oberflächen.

Frischlufttemperierung im Jahreslauf
Die Anwendung beginnt in der ganzjährigen Frischlufttemperierung, eine fraglos hygienische Vorgehensweise, um frische Luft über das Erdreich im Sommer zu kühlen und im Winter vorzuwärmen. Der Aufwand ist entsprechend der Leistungsanforderungen gering und erstreckt sich über Rohrlängen ab 150 m für 200 m³/h an Frischlufteinführung. Diese Rohrleitung wird unterhalb der Frostgrenze waagerecht in den Untergrund eingebracht, mit ungewaschenem Sand eingebettet und mit Erdreich verfüllt und verpresst. Die Ausführung kann flächig, aber auch in einzelnen Gräben ausgeführt werden.
Ein Mindestabstand von 1,5 m zum Gebäude oder Gebäudeteilen ist einzuhalten, um etwaige Auskühlungen des Baukörpers, besonders bei aktivem Wärmeentzug, zu vermeiden. Um Vereisungen etwaiger Eisringe um die Absorberrohre bei aktivem Wärmeentzug zu vermeiden, gelten folgende Mindestabstände zwischen den Rohrleitungen: DA 20: 300 mm; DA 25: 500 mm; DA32: 750 mm; DA 40: 1.000 mm, die in jedem Fall einzuhalten sind, im optimalen Fall auch gerne vergrößert werden können. Ein weiteres Kriterium ist der Massen-Volumenstrom und die Temperaturdifferenz für die Wärmeübertragungsleistung. Die möglichst waagerechte Verlegung sollte möglichst geringe hydraulische Widerstände aufweisen.


Oft wird die anfallende Aushubmenge von Erdreich unterschätzt. Nicht immer ist genügend Platz vorhanden, um diese Erdmassen zwischenzulagern.

Geschlossenes System Solekreis
Das Wärmeträgermedium eines solegeführten Erdwärmeabsorbers besteht aus einem Wasser-Glykolgemisch mit einem entsprechend festzulegenden Frostschutz. Ähnlich wie bei solarthermischen Anlagen, soll in extrem kalten Betriebszuständen ein Einfrieren des Mediums und vor allem diverser Komponenten, wie den Verdampfer einer Wärmepumpe oder dem Sole-Wasser-Wärmetauscher einer Lüftungsanlage.
Die Wärmeübertragung erfolgt über eine pumpengesteuerte  Zwangszirkulation als geschlossener Kreis. Die Sole nimmt die Wärme aus dem Erdreich auf, welche durch Sonneneinstrahlung und Niederschlag in den Untergrund dringt und natürlich regeneriert. Die Sole des EWAs wird über eine Soleanschlussleitung in das Gebäude gebracht und über eine Sole-Hydraulikgruppe an den zweiten Wärmeübertrager, beispielsweise an die Frischluft.
Die Sole-Hydraulikgruppe enthält eine Umwälzpumpe zur Zwangszirkulation mit Rückschlagklappe zur Vermeidung von Fehl-Zirkulationen, ein Druckausdehnungsgefäß mit Kappenventil und ein Sicherheitsventil entsprechend des Anlagendrucks, der sich in der Regel in den Bereichen 2 – maximal 3 bar einstellt. Spül-, Füll- und Entleerungseinheiten sowie Temperaturanzeigen und Absperreinrichtungen zählen zur weiteren Grundausstattung.
Es muss jederzeit eine vollständige Spülung der Anlage mit umfassender Entlüftung möglich sein, um die Funktionssicherheit der Anlage aufrecht halten zu können. Über die Solehydraulik erfolgt der Anschluss an einen Sole-Luft-Wärmetauscher im Frischluftkanal, den Verdampfer einer Wärmepumpe oder anderen Wärmeübertragungseinheiten. Entsprechend der Wärmesenke erfolgt die Wärmeübertragung.
Zu empfehlen ist immer ein Wärmemengenzähler, um die aus dem Erdreich entnommene Wärme zu erfassen und zu dokumentieren. Auf diese Weise kann der Anteil von Umweltwärme zur Temperierung von Frischluft im Winter entsprechend in die Energiebilanz empirisch dargestellt werden.
Das natürliche Wärmeregime in diesem Bereich des Untergrunds beträgt etwa 5 – 8°C und hängt von verschiedenen Faktoren und Rahmenbedingungen ab. Das Material des Untergrunds beispielsweise, aber auch etwaige Verschattungen und dergleichen Hemmnisse für den natürlichen Solareintrag. Feuchte Böden können so auch hygienisch unbedenklich zur Frischlufttemperierung hergenommen werden. Auf Versiegelungen ist zu verzichten.
Etwaige Wasseradern und Schichtaufbauten des Untergrunds können Wärme zwar hervorragend zum Erdwärmeabsorber hinleiten, aber ebenso auch Wärmeüberschüsse abtransportieren. Diese Erfahrungen wurden gemacht, wenn man versiegelte Flächen beispielsweise solarthermisch mit Wärme beladen hat und die Beschaffenheit des Untergrunds und dessen spezifische Bewertung nicht erfolgte bzw. ignoriert wurde.



Natürliche und unnatürliche Wärmequellenanlagen
Sehr wohl ist eine unnatürliche Wärmequellenanlage über die Grundform des Erdwärmeabsorbers möglich, da dieser das wärme- übertragende Element selbst darstellt und zusätzlich thermisch beladen wird. Die Frage ist, wie eine solche unnatürliche Wärmequellenanlage dann zu nennen ist, wenn es sich nicht um die natürliche Wärmequelle Erdwärme handelt. Diese Erdwärme ist aber bei Licht betrachtet ebenfalls solare Wärme. Das Erdreich dient lediglich als Puffer und als Speicher.
Aufgrund der unzähligen Potenziale von Solar- und Umweltwärme und deren spezifische Systemintegration unternahm das Forum Wohnenergie schon in den 1990er- Jahren Varianten von EWA, die auf Basis einer natürlichen Wärmequellenanlage solarthermisch optimiert wurden. Dies führte nicht zuletzt auch zur Anhebung des solaren Wirkungsgrades und der Effizienz nicht nur der Wärmepumpe, sondern der gesamten Anlage.
Wird in diesem Zusammenhang ein solegeführter Erdwärmeabsorber für eine entsprechende Wärmepumpe geplant, muss dieser Erdwärmeabsorber konkrete Mindest-Entzugsleistungen sicherstellen. Die Leistungsbereiche der Wärmepumpe sind hierfür gleichsam relevant wie die veranschlagten Jahres-Betriebsstunden. Eine fraglos kostengünstige Variante bietet ein Flächenerdwärmeabsorber, der jedoch entsprechend der notwendigen Entzugsleistung, die als Wärmemenge dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt werden muss, eine entsprechend große Freifläche benötigt. Zentrales Regelwerk ist die VDI 46 40 und VDI 46 50. Entsprechend des Untergrunds empfiehlt die VDI Erfahrungswerte mit einigem Spielraum im unmittelbaren Zusammenhang mit den Bodenverhältnissen im Untergrund. Erfahrungsgemäß lässt sich sagen, dass man, wenn man sich nach den Mindestangaben richtet, in der Regel gute Arbeitszahlen erreicht. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass eine größere Fläche als berechnet zu nutzen, sich in jedem Fall positiv auf den Anteil an Umweltwärme und die natürliche Regeneration auswirkt. Allein für das Verständnis der thermischen Nutzung des Untergrunds lohnt sich die Lektüre der VDI 46 40. Diese fordert, nur die Wärme zu entnehmen, die dem (Öko-)System Untergrund wieder zugeführt wird.
Der klassische Flächenerdwärmeabsorber ist eine natürliche Wärmequellenanlage und muss in Planung und Ausführung eine definierte Entzugsleistung an die Wärmepumpe bringen, um eine effiziente Betriebsweise derselben sicherstellen zu können. Die Regeneration findet über Sonneneinstrahlung und Niederschlag statt. Aus diesem Grund darf die Fläche nicht überbaut werden. Im Grunde kommen für diese Anwendung nur Grundstücke mit großem Flächenanteil infrage.
In der Tat ist der Untergrund als solarer Saisonal-Wärmespeicher zu begreifen, der natürlich bekannt sein muss. Wandelt man eine solche Wärmequellenanlage durch Eingriff (z. B. solarthermische Beladung) in eine unnatürliche Wärmequellenanlage um, muss man Sorge tragen, die notwendige Wärme auch sicherstellen zu können, was nicht selten die Bauart und Konstruktion des Erdwärmeabsorbers verändert, bzw. dieser auch noch eine Packung enthält, was baulich in jedem Fall mehr einem Wärmereservoir oder Langzeitspeicher entspricht. Sinnvoller und effizienter ist sicher das entsprechend gedämmte Wärmereservoir, da es ganzjährig unterschiedliche Temperaturen nutzen kann.

Flächenerdwärmeabsorber
Die VDI-Richtlinie schreibt das Verfahren vor, mit dem man oberflächennahe Flächenerdwärmeabsorber als natürliche Wärmequellenanlage dimensioniert. Dieser Bautyp nutzt die Wärme unmittelbar unter der Frostgrenze, indem der Wärmetauscher großflächig ausgebildet ist. Für einen Flächenerdwärmeabsorber ist keine Genehmigung notwendig, sondern lediglich eine Anmeldung mit der Baugenehmigung. Die Fläche darf nicht überbaut oder versiegelt werden. Sonst kann sich das Erdreich im Sommer nicht thermisch aufladen, natürlich regenerieren. Nicht selten wird während der Heizperiode so viel Wärme aus dem Erdreich gezogen, dass sich die Temperatur der Sole dem Gefrierpunkt von Wasser nähert. Das sollte aber nur am Ende außergewöhnlich langer Winter der Fall sein, andernfalls ist der Absorber zu mager. Da sich die Entzugsleistung u. a. aus der Beschaffenheit und der Feuchte des Bodens ergibt, sollte man stets mit ungünstigeren Werten planen, um später im Betrieb keine bösen Überraschungen zu erleben. Wer einen Flächenabsorber aus Gründen eines zu kleinen Grundstücks oder zu hoher Investitionen kastriert, zahlt später bei den Stromkosten der Wärmepumpe ordentlich drauf.
Die VDI 4640 unterscheidet bezüglich der Betriebsstunden zwischen Raumheizung und Raumheizung mit Warmwasserbereitung. Je geringer der Entzug pro m², desto besser kann sich die Wärmequelle auf natürliche Weise erneuern. Je höher der Entzug, desto schwieriger wird es, eine konstante Wärmequellentemperatur zu erreichen und sie über 0 °C zu halten. Wird ein solcher Flächenabsorber gebaut, fallen große Mengen Erdaushub an. Für einen 325 m² großen Absorber (ca. 8 kW Nennwärmeleistung der Wärmepumpe), der in etwa 1,5 m Tiefe verlegt wird, kommen schnell 550 m³ zusammen. Man muss sie so lange lagern, bis die Absorberschleifen fertig montiert sind und die Anlage wieder mit Erde verfüllt wird. Ein entsprechend großes Grundstück ist notwendig. Deshalb sind diesem Absorbertyp Grenzen gesetzt: Größere Gebäude erfordern ungleich größere Entzugsleistungen, sprich Absorberflächen, als ein Haus für eine oder zwei Familien.
Sollten Bäume den Bau des Flächenabsorbers behindern oder lässt die Geometrie des Grundstücks nur wenig Spielraum, kann
man sich mit sogenannten Grabenabsorbern helfen. Die Absorberrohre werden in einem Graben verlegt. Es sammelt sich nur wenig Aushub an. Erfahrungen haben gezeigt, dass Grabenabsorber eine bessere Regeneration erreichen, da die Verlegeabstände oft weiter sind als bei der schneckenförmigen Verlegung im Erdreich. Wichtig ist die fachgerechte Verdichtung des Erdreichs, damit das Grundstück später an diesen Stellen nicht absinkt.
Die Funktion eines Erdwärmabsorbers als Wärmequellenanlage für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe unterscheidet sich dahingehend von den erstgenannten, das die Entzugsleistung klar definiert ist und vom Wärmepumpenaggregat auch verlangt wird. Das bedeutet, wenn die Wärmepumpe 6 kW fordert, dann holt sie sich diese Entzugsleistung aus dem Untergrund. Ist der Wärmeentzug höher als das Erdreich vorhalten kann, findet eine Auskühlung statt. Ist diese Auskühlung zu stark und kann nicht mehr ausgeglichen werden, bilden sich Eisringe um die Absorberrohre. Dies ist zunächst nicht schlimm. Befinden sich die Absorberrohre zu eng aneinander verlegt, besteht die Gefahr einer Verschmelzung von mehreren Eisringen, sodass eine Eisplatte entsteht. Diese behindert dann wiederum die Versickerung des Niederschlags und kann im schlimmsten Fall bei Regen zur Überschwemmung im Garten führen. Die empfohlenen Mindestabstände von Absorberrohren betragen bei DA 25: 500 mm, DA 32: 750 mm; DA 40: 1000 mm.


Umfassendes Einsanden von Erdwärmeabsorberrohren zur Vermeidung von Lufteinschlüssen.

Sonderformen von Erdwärmeabsorbern
Verschiedene Abarten und Sonderformen von Erdwärmeabsorbern haben sich nach dem Vorbild und den Erfahrungen von klassischen Flächenerdwärmeabsorbern entwickelt. Dazu zählen sogenannte Spiralrohr-Absorber, die in eine Tiefe bis zu 3 oder 4 m gesetzt werden. Sie sind eine Zwischenform von Flächenabsorbern und Erdwärmesonden, unterliegen aber im Wesentlichen der natürlichen Regeneration von oben, durch Sonneneinstrahlung und Niederschlag. Der geothermische Wärmefluss aus dem Inneren der Erde wird erst unterhalb der neutralen Zone (etwa 15 – 30 m) nennenswert, also bei den klassischen Erdwärmesonden. Sie sind also gleichsam von der natürlichen Regeneration abhängig. Anders bei Spiralsonden in Betonkernen beispielsweise bei Pfahlgründungen mit größeren Tiefen, die auch von dem geothermischen Wärmefluss profitieren.
Mehrlagige Flächenabsorber werden auch genutzt, wenn wenig Fläche zur Verfügung steht. Die Lagen sind entsprechend tiefer in den Untergrund einzubringen. Es sollten mindestens die gleichen Verlegeabstände wie in der horizontalen eingehalten werden. Somit erhöht sich über die Tiefe die Speichermasse und gleicht die geringere Fläche aus. Zu empfehlen ist die Kombination mit einer solaren Soleanhebung.

Hohe Betriebssicherheit
Die Vielzahl von Erdwärmeabsorbern zeigt sich nicht zuletzt durch ihre Unterscheidung in aktive und passive Wärmeübertragung. Das System des geschlossenen Kreises hat sich traditionell entwickelt und leistet höchste Betriebssicherheit bei sach- und fachgerechter Planung, Montage und Wartung. Der Übergang von einer natürlichen Wärmequellenanlage zu einer unnatürlichen oder optimierten Wärmequellenanlage sind fließend. Die Kombinationsmöglichkeiten mit Solarthermie und der Frischlufttechnik tun ein Übriges, um solegeführte Erdwärmeabsorber als wichtige Energiequelle für die Zukunft zu standardisieren.

Bilder: Hartmann