Erdwärme ist fit für die Zukunft - Thermische Nutzung des Untergrunds für Wohn- und Nichtwohngebäude

Die aktuelle Situation hinsichtlich des energetischen Standards von Gebäuden verlangt oft ein Maximum von Dämmaufbauten der thermischen Hülle. Immer mehr Akteuren des Baugewerkes ist nicht mehr ganz wohl dabei, einer Entwicklung entgegenzusehen, die das „Dämmen bis der Arzt kommt“ nahezu verordnet. So wird die anstehende Novellierung der Energieeinsparverordnung (EnEV) als Damoklesschwert empfunden und nach Auswegen gesucht. Der Anlagentechnik kommt hierbei umso mehr eine bedeutende Rolle zu, da der Anteil an Erneuerbaren Energien in der Energiebilanz eines Wohn- und/oder Nicht-Wohngebäudes  zwangsläufig immer mehr entscheidender wird.
Die Nutzung des oberflächennahen Untergrunds (allgemein auch „Erdwärme“ genannt) bietet hier ein überaus großes Potenzial für eine Grundversorgung mit regenerativer Wärme. Sie bietet entsprechend der Wärmelehre stets die Möglichkeit eines reversiblen Betriebs. Des Weiteren bietet die thermische Nutzung des oberflächennahen Untergrunds (wie es diesbezüglich zentrale Richtlinie VDI 46 40 nennt) eine Vielzahl von Synergieoptionen. Am naheliegendsten mit der solarthermischen Anlagentechnik. Schließlich weisen beide Systeme schon mal einen Solekreis auf. Solare Überschüsse können im Sommer über die Erdwärmesonden abgeführt werden. Solare Gewinne im Winter können oft effizienter eine Erdwärmesondenanlage optimieren als im klassischen Sinne bei einer solaren Heizungsunterstützung punkten. Natürlich kann im Winter bei tiefen Außentemperaturen die über die Lüftungsanlage eingeführte Frischluft zumindest vortemperiert werden, um einen Frostschutz zu erzielen bzw. Tauwasser zu vermeiden. Im Sommer kann die schwülwarme Frischluft gekühlt werden, was keinesfalls zu überschätzen ist und keineswegs einer leistungsdefinierten Kühlanlage entspricht. Hierfür müsste das passive System der natürlichen Wärmesenke, mit einem Wärmepumpenaggregat aktiviert werden. Aber auch dies ist möglich mit Erdwärmesonden. Darüber hinaus können über Erdwärmesonden natürlich auch solegeführte PV-Module gekühlt werden. Dies erhöht einerseits den technischen Wirkungsgrad der PV-Module und unterstützt andererseits die natürliche Regeneration des Untergrunds.

Funktionsprinzip von ESA
Erdwärmesonden übertragen Wärme aus Bereichen unterhalb der neutralen Zone (ab etwa 20 m) im Untergrund und führen diese an den Verdampfer der Wärmepumpe. Diese Wärmequellenanlage ist nicht vom Wärmeeintrag durch Niederschlag und Sonneneinstrahlung abhängig und kann – im Gegensatz zum Flächenerdwärmeabsorber – überbaut werden. Denn das Nachladen dieses Wärmepotenzials geschieht über den geothermischen Wärmefluss aus dem Inneren der Erde als natürliche Regeneration. Auch wenn wir uns nicht in diesen Regionen bewegen, herrschen in 99% der gesamten Masse unseres Planeten höhere Temperaturen als 1000°C. Das ist ein enormes Potenzial an regenerativer Wärme schlechthin. Entgegen diversen Pressemeldungen in der Vergangenheit, die von „Unfällen mit Erdwärmesonden“ berichteten, handelt es sich bei Erdwärmesondenanlagen (ESA) um eine ausgereifte und vor allem sichere Technologie im Sinne einer nachhaltigen Bereitstellung von Umweltwärme. Freilich ist die stationär vorhandene Geologie ausschlaggebend und verlangt eine genaue und fachkundige Prüfung.
Der stetige Wärmefluss an die Erdkruste ist also sicher. Im Sommer gleichermaßen wie im Winter. Bei Tag und bei Nacht. Alle 100 m Tiefe steigt die Temperatur um etwa 3°K. Dieses Faktum bietet eine weitaus belastbarere Planungssicherheit, als es bei oberflächennahen Wärmequellenanlagen oder gar Außenluft als Wärmequelle der Fall ist.

Ausführung von ESA
Die meisten Erdwärmesonden werden als Doppel-U-Rohrsonden ausgeführt. Diese bestehen aus je zwei Solekreisen, die unterhalb der Frostgrenze in horizontaler Leitungsführung zu einem Solevorlauf und einem Solerücklauf über sogenannte Y-Stücke zusammengeführt werden. Die PE-Rohre sind zu schweißen und nach erfolgter Druck- und Dichtigkeitsprobe ebenso in Sand einzubetten, wie die Absorberrohre des Flächenerdwärmeabsorbers. Die zusammengeführten Solekreise werden am Soleverteiler angeschlossen. Pro Erdwärmesonde sind somit nur ein Verteiler- und ein Sammleranschluss notwendig, obgleich es sich um zwei Solekreise (mit gleicher Länge) handelt. In der Regel werden die Sonden gleich tief ausgeführt. Wenn sich aber große Abstände und Entfernungsunterschiede der Sonden vom Sole-Verteiler ergeben, da dieser nicht zentral positioniert werden konnte, sollte die dem Verteiler am nahesten liegende Sonde die tiefste sein. Die am weitesten entfernte Sonde sollte die kürzeste sein. Was zählt ist die Aufteilung von gleichen Rohrinhalten und Volumenströmen auf jede einzelne Sonde, um je einen möglichst gleichmäßigen Massen-Volumenstrom zu erreichen. Dieser sollte ausgewogen sein und kann sodann einen hydraulischen Abgleich am Soleverteiler eventuell überflüssig machen.
Grundsätzlich gilt: einen gleichmäßigen Volumenstrom sicherzustellen, um eine ebenso gleichmäßige Wärmeübertragung zu ermöglichen. Die einzelnen Sonden dürfen nicht zu nah aneinander positioniert sein, um sich nicht gegenseitig thermisch zu beeinflussen. Der Abstand  zwischen zwei Erdwärmesonden sollte mindestens 10% der jeweiligen Sondentiefe ausmachen. (Also im nachfolgend genannten Beispiel mindestens 6 m). Durch das Verpressmaterial müssen die Hohlräume zwischen Sondenrohren und Bohrloch vollständig ausgefüllt werden. Um einen Lufteinschluss (der die Wärmeübertragung verschlechtern würde) auszuschließen, wird das Material über ein Füllrohr von unten nach oben eingebracht. Nach dem Aushärten entsteht ein fester Wärmeübertragungszylinder, der inmitten die beiden vertikalen Solekreise der Erdwärmesonde führt.
Genehmigung und Qualitätsnachweis
Die Herstellung einer ESA darf nur durch einen qualifizierten und  zugelassenen Bohrunternehmer erfolgen, der nach DVGW Arbeitsblatt W 120 zertifiziert ist. Ein weiteres Qualitätsmerkmal ist das D-A-CH-Gütesiegel. Es steht für  „geprüfte Erdsondenqualität“ und stellt besondere Anforderungen an die Bohrunternehmer, die dieses Zertifikat tragen. Notwendig ist zudem ein Genehmigungsverfahren, das über die örtlichen Behörden zu stellen ist. Für dieses Genehmigungsverfahren ist die Planung der ESA nachzuweisen, inklusive:

• ein zu erwartendes Schichtenprofil,
• Ausbauvorschläge in zeichnerischer Form mit Schichtenverhältnissen im Untergrund,
• Positionierung der Erdwärmesonden,
• Unbedenklichkeitsnachweis des Verpressungsmaterial und des Glykols, sowie
• leistungsbezogene Angaben zur Wärmepumpenanlage und Herstellererklärungen.

Nach Prüfung durch einen Sachverständigen wird die Genehmigung mit entsprechenden Auflagen zur Durchführung erteilt, sofern die Dokumentation den Schluss zulässt, dass derjenige der bohren will, weiß was er tut und den fachlichen Anforderungen gerecht wird. Die Behörde behält sich das Recht vor, die Bohrstelle zu kontrollieren und erhält nach Abschluss der Herstellungsarbeiten einen Bericht inklusive Dokumentation.

Der Wärmeentzug aus dem Untergrund
Wichtig für die Erstellung einer ESA ist die Erfüllung der definierten Entzugsleistung in kW, unabhängig durch etwaige Sondenmeter bzw. Anzahl von Erdwärmesonden. Das Leistungsverzeichnis für den Bohrunternehmer muss die notwendige Entzugsleistung in kW fordern. Ebenso ist der Bohrunternehmer für die Dichtheit und Funktion der Wärmequellenanlage verantwortlich. Als Schnittstelle zum Heizungsbauer empfiehlt sich der Soleverteiler.
Wie bei jeder Wärmequellenanlage für Wärmepumpen kommt eine großzügige Auslegung dem Gesamtsystem immer zugute. Für eine überschlägige Ermittlung der Sondenlänge kann in vielen Regionen 40 – 50 W pro Meter angenommen werden. Doch allein das Spektrum der VDI 4640 zur thermischen Nutzung des Untergrunds – die als Grundlage für die Planung der Wärmequellenanlage bis zu einer Heizwärmeleistung von 30 kW gilt – kann zu großen Abweichungen führen. Bei wechselnden Schichten kann der mögliche Wärmeentzug sehr variieren. Die tatsächliche Entzugsleistung ist über ein ortsspezifisches Schichtenprofil zu ermitteln, um daraus die zu entziehende Wärmemenge zu generieren. Grundsätzlich gilt, dass steiniger Untergrund eine bessere Wärmespeicherkapazität besitzt als Erdreich. Natürlich spielen auch wasserführende Schichten und die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien im Untergrund eine Rolle. Dem spezifischen Untergrund darf nur soviel Wärme entzogen werden, wie durch natürliche Regeneration wieder zugeführt werden kann.

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Dimensionierungsbeispiel Erdwärmesondenanlage
Um die notwendige Entzugsleistung aus dem Untergrund zu ermitteln ist es notwendig zu wissen, welche Wärmepumpe eingebaut werden soll. Aus den technischen Daten der Hersteller sind die Leistungsangaben entsprechend ihren DIN-Bezügen zu entnehmen, wie beispielsweise:
Bei einem Wärmeentzug aus dem Untergrund von 12000 W ist eine gesamte Sondenlänge von 300 m notwendig, um das Temperaturverhältnis im Untergrund nicht wesentlich zu beeinträchtigen. Wichtig ist, dass nur so viel Wärme dem Untergrund entzogen wird, wie zeitnah durch den geothermischen Wärmefluss dem Entzugsbereich der Sonde wieder zugeführt wird. Dies kann nur durch eine ausgeglichene natürliche Regeneration erreicht werden. Nur wenn dies der Fall ist, kann eine langfristig konstante Wärmequellentemperatur erwartet werden. Die Anzahl der einzelnen Erdwärmesonden ergibt sich aus der zulässigen Bohrtiefe, da häufig die zweite wasserführende Schicht nicht durchteuft werden darf. Ab einer Tiefe von 100 m ist ein zusätzliches Genehmigungsverfahren notwendig. Mit der Ausnutzung der jeweiligen Bohrtiefe von beispielsweise 60 m entsteht in obigem Beispiel ein Erdwärmesondenfeld mit fünf Erdwärmesonden zu je 60 m.
Entsprechende Planungssicherheit bietet ein Schichtenprofil, aus dem die unterschiedlichen Wärmeentzugsleistungen entsprechend den anzutreffenden Schichten angegeben sind. Diese Leistungsangaben müssen stets im Verhältnis der Jahresbetriebsstunden stehen. Eine diesbezügliche Empfehlung nennt die VDI 4640 mit 1800 bzw. 2400 Jahres-Betriebsstunden. Die Anzahl der Jahres-Betriebsstunden ist deckungsgleich mit den Betriebsstunden der Wärmepumpe. Nach obigen Dimensionierungsbeispielen werden bei 2000 Betriebsstunden im Jahr etwa 24000 kWh Wärme aus dem Untergrund entzogen. Die zugeführte elektrische Leistung entspräche für den Arbeitsprozess des Kompressors im Mittel etwa 6100 kWh zuzüglich etwa 800 kWh für die Sole-Umwälzpumpe, also insgesamt  6900 kWh.
Im Verhältnis zum Anteil der Umweltwärme entspräche dies einer rechnerischen Jahres-Leistungszahl von 4,00 bei einer Nennwärmeleistung von etwa 13800 W. Eine genaue Berechnung der Jahres-Arbeitszahl ist real definitiv nicht möglich, da u.a. der Warmwasserbedarf nutzerabhängig ist und letztendlich das Zünglein an der Waage sein kann. Die Jahresarbeitszahl kann nach wie vor nur gemessen werden. Aussagekräftige Ergebnisse sind besonders bei Neubauten erst nach der zweiten oder dritten Heizperiode zu erwarten, wenn das Gebäude vollständig trocken ist. Des Weiteren spielen die thermischen Eigenschaften der Materialien und Baustoffe eine wichtige Rolle und beeinflussen den Wärmebedarf – auch wenn dies bislang nicht wirklich berücksichtigt wird.

Kühlen mit Erdwärmesonden
Das Funktionsprinzip der Wärmepumpenanlage mit Erdwärmesonden erlaubt auch den umgekehrten Weg des Wärmetransports. Somit besteht die Möglichkeit, im Sommer bei Bedarf Wärme aus dem Raum zu transportieren und in den Untergrund zu übertragen, dessen Umgebungstemperatur (etwa 10°C) eine entsprechende Wärmesenke darstellt. Zu unterscheiden ist zwischen einer aktiven und einer passiven Kühlung entsprechend den Anforderungen. Bei definierten Kühllasten müssen diese nach VDI 2078 ermittelt werden. Diese Ergebnisse entscheiden über die Art der Kühlung, passiv oder aktiv. Definierte Kühllasten (wie beispielsweise im gewerblichen Bereich) sind in der Regel nur mit einem aktiven Kühlbetrieb zu gewährleisten. Der Arbeitsprozess der Wärmepumpe wird umgekehrt  (reversible Betriebsweise der Wärmequellenanlage). Aus der Wärmenutzungsanlage wird im Kühlbetrieb eine Wärmequellenanlage, welche die Wärme aus dem Kühlprozess der Wärmepumpe an die Wärmenutzungsanlage abgibt, die ansonsten die Wärmequelle darstellt. Die Wärmesenke muss die entsprechende Kühlleistung  aufnehmen können, was entsprechend der Umgebung nachzuweisen ist und einer Genehmigung bedarf.

Die passive Kühlung von Wohnbereichen
Eine passive Kühlung funktioniert ohne Wärmepumpe und bietet eine Verbesserung des Wohnklimas im Sommer ohne großen Mehraufwand. Voraussetzung ist allerdings ein entsprechendes Flächenheizungssystem, um eine optimale, da großflächige  Wärmeübertragung zu ermöglichen. Die Kühlleistungen von Fußboden-, Wand- und Deckenheizsystemen sind unterschiedlich und produktspezifisch zu ermitteln. In jedem Fall ist ein Taupunktwächter in die Steuerungs- und Regelungstechnik zu integrieren, um Taupunktunterschreitungen im und am Bauteil der entsprechenden Oberflächen zu verhindern! – Es gilt ferner zu beachten, dass bei einer passiven Kühlung keine definierten Kühlleistungen gewährleistet werden können, jedoch Annäherungen die eine Optimierung, nicht nur der Wohnsituation, sondern auch der Wärmequellenanlage bedeuten können.
Auf diese Weise kann bei einer Wärmepumpenzentralheizungsanlage mit Erdwärmesonden mittels Kühlmodul die Wärmepumpe umgangen werden, sodass der Flächenheizkreis über einen Wärmetauscher die Wärme an den Solekreis ins Erdreich überträgt. Lediglich die Heizkreispumpe und die Solepumpe sind in Betrieb; die Wärmepumpe ist aus. Zu berücksichtigen ist, dass die Kühlleistung einer Erdwärmesonde meist geringer (bis zu 20%) ist als die Wärmeentzugsleistung. Dennoch ist es möglich, die Raumlufttemperatur um bis zu 3°C niedriger zu halten als die Außenluft, was dem Wohlbefinden der Bewohner entgegenkommt, denn niemand muss befürchten, sich zu erkälten.

Natürliche Regeneration
Ein zusätzlicher Aspekt ist, dass durch die passive Kühlung im Sommer die natürliche Regeneration der ESA im Untergrund unterstützt wird. Es ist allerdings davon abgeraten, diesen Sachverhalt in die Auslegung der Erdwärmesonde aufzunehmen, da es sich hier keineswegs um kalkulierbare Größen handelt. Die Auslegung muss für den Heizwärmebedarf  wie oben beschrieben durchgeführt werden. Die passive Kühlung ermöglicht dabei ohne großen Mehraufwand eine Optimierung der Wärmequelle sicherlich, aber vor allem eine Steigerung des Wohnklimakomforts der Bewohner. Für die Bereitstellung von Wohnwärme sind ESA eine verlässliche Quelle und können mit einer Vielzahl anderer Wärmeerzeuger aus dem Konzert der Erneuerbaren  kombiniert werden, um den energetischen Standard eines Gebäudes in jedem Fall hochzuhalten.

Autor: Frank Hartmann