Geologische Voraussetzungen für Planung und Ausführung geothermischer Wärmepumpenanlagen Entscheidend ist die Gesamtbetrachtung

In Deutschland sind nach verfügbaren Marktdaten derzeit über 340.000 Heizungswärmepumpen installiert. Der überwiegende Teil entfällt auf Wärmepumpensysteme zur Nutzung der Erdwärme. Etwa 65% aller installierten Wärmepumpen sind nach Angaben des Bundesverbandes Wärmepumpe (BWP) Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen zur Nutzung der thermischen Energie aus dem Erdreich oder dem Grundwasser. Beide Systemvarianten stellen für das SHK-Fachhandwerk ein beträchtliches Marktpotenzial dar. Die Nutzung der oberflächennahen Geothermie verlangt jedoch intensive Planungsarbeit, zunächst mehr in der Geologie als in der Gebäudetechnik.

GEOLOGIE UND GEBÄUDETECHNIK GEMEINSAM IM FOKUS
Um die Wärmequelle Erdreich oder Grundwasser mit einer Wärmepumpenanlage zu einem energetisch effizienten System zu vereinen, müssen Gebäudetechnik und Geologie zunächst im Gesamten betrachtet werden. Beide Wärmequellen-Arten ermöglichen eine effektive Wärmeausbeute bei vergleichsweise geringen Betriebskosten. Bereits im frühen Planungsstadium kann eine enge Zusammenarbeit zwischen Geologie- und Haustechnikplanung davor bewahren, dass die Planungsarbeit von Annahmen geleitet wird, die sich im weiteren Verlauf als unzureichend erweisen. Als Grundlage für Planung, Auslegung und Ausführung von Anlagen zur Nutzung der oberflächennahen Geothermie dient die VDI-Richtlinie 4640 "Thermische Nutzung des Untergrundes". Die erste Planungsphase ist eine Machbarkeitsuntersuchung und dient zunächst dazu, anhand aussagefähiger Daten Anhaltspunkte für die Wahl der geeigneten Wärmequelle sowie für die Konzeption der Wärmepumpenanlage zu gewinnen. Ob sich das Erdreich oder das Grundwasser besser eignet, hängt von den geologischen Verhältnissen im Untergrund wie auch von den Anforderungen der Gebäudetechnik ab. Zunächst setzt die Planung genaue Kenntnisse über den geologischen Schichtenaufbau und die thermischen Eigenschaften des Untergrunds voraus. Planungs- und Ausführungsfehler gehen hier zulasten der Energieeffizienz und schlagen sich in einer ungünstigen Jahresarbeitszahl nieder - oder in mangelnder Heiz- und Kühlleistung. Aus den Ergebnissen der Machbarkeitsuntersuchung lässt sich ableiten, ob

• der Heizwärmebedarf durch monovalente Betriebsweise sinnvoll gedeckt werden kann,
• ob ein bivalentes Heizsystem oder
• die Kombination mit anderen regenerativen Energien wie z.B. Solarthermie für das Energiekonzept infrage kommt.

Die Nutzung der oberflächennahen Geothermie zur Gebäudebeheizung erfordert Sorgfalt in der Planung wie in der Ausführung, um die angestrebte Energieeffizienz zu erzielen.

WÄRMEQUELLE ERDREICH
Die Wärmequelle Erdreich wird über Erdwärmesonden erschlossen. Über diese vertikal verlaufenden Wärmetauscher wird die geothermische Energie aus Tiefen von bis zu 250 m gefördert. Bei kombinierter Nutzung für die Betriebsarten Heizen und Kühlen haben sich Bohrtiefen zwischen 80 und 140 m bewährt. Ob die Errichtung einer Erdsonde zulässig ist, richtet sich nach wasserwirtschaftlichen Kriterien. So sind in Wasserschutzgebieten und in Einzugsgebieten von Grundwassernutzungen Erdbohrungen nur unter bestimmten Voraussetzungen vertretbar. Mit Einschränkungen ist auch zu rechnen, wenn die Gefahr der Kontamination des Grundwassers besteht oder ein artesisch gespanntes Grundwasservorkommen vorliegt. Darunter ist eine Wasserführung zu verstehen, die im Bohrloch bis zur Erdoberfläche ansteigen würde.
Um festzustellen, ob der Untergrund für den Bau einer Erdwärmesonde geeignet ist, werden zunächst die thermischen Eigenschaften des Untergrunds ermittelt. Steht in der Umgebung des Objekt-Standorts eine fertiggestellte Erdsonde zur Verfügung, kann an dieser ein Thermal Response Test durchgeführt werden. Dabei werden die Parameter

• spezifische Wärmekapazität,
• Wärmeleitfähigkeit des Gesteins,
• thermischer Bohrlochwiderstand und
• die ungestörten Erdreichtemperaturen ermittelt.

Aus den ermittelten Daten werden die zu erwartenden Soletemperaturen ermittelt, die zur Auslegung der Erdsondenanlage dienen.

Für die Versorgung größerer Objekte, wie zum Beispiel Industriegebäude, verteilt sich der Wärmeentzug auf mehrere Erdwärmesonden.

WÄRMEQUELLE GRUNDWASSER
Im Vergleich zu Erdsondenbohrungen fallen die Baukosten für die Erschließung der Wärmequelle Grundwasser deutlich günstiger aus. Durch die hohe erzielbare Energieeffizienz bietet Grundwasser ebenfalls günstige Voraussetzungen für den Betrieb einer Wärmepumpenanlage. Mit einer durchschnittlichen Temperatur zwischen 7 und 12°C wird auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen noch die benötigte Heizleistung erreicht. Das Grundwasser wird über einen Förderbrunnen entnommen, das abgekühlte Wasser wird dem Grundwasservorkommen über einen Schluckbrunnen wieder zugeführt. Die Wahl der Wärmequelle Grundwasser ist unter den Voraussetzungen möglich, dass der Nutzung aus wasserrechtlicher Sicht entsprochen werden kann und die chemisch-physikalischen Eigenschaften des Wassers keine Beeinträchtigung der Anlagentechnik erwarten lassen.
Ob die thermische Energie des Grundwassers für den Betrieb einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe effizient genutzt werden kann, wird durch eine sogenannte Aufschlussbohrung ermittelt. Durch einen Langzeit-Pumpversuch ermittelt das Tiefbohrunternehmen die mögliche Entnahmeleistung. Zeigt sich das Grundwasservorkommen als ausreichend ergiebig, kann die weitere Eignung zur Nutzung als Wärmequelle geprüft werden. Ein entscheidendes Kriterium ist die Wasserqualität. So würde ein hoher Gehalt des Grundwassers an Eisen oder Mangan im Rohrsystem und im Wärmetauscher zu Ablagerungen (Verockerung) führen, die nur durch den Einsatz aufwendiger Wasserbehandlungstechnik zu verhindern sind.

Mehr als die Hälfte der in 2009 verkauften Heizungswärmepumpen nutzen die Energie aus Erdreich und Grundwasser, knapp 45% nutzen die  Umgebungsluft als Wärmequelle.

BOHRVERFAHREN UND AUSFÜHRUNG DER ERDWÄRMESONDE
Erdwärmesonden werden üblicherweise im sogenannten Spülbohrverfahren oder als Imlochhammerbohrung hergestellt. Der Bohrdurchmesser variiert je nach gewähltem Bohrverfahren und Sondentyp. Das gewählte Bohrverfahren richtet sich nach den geologischen Verhältnissen. Die Ausführung der Bohrung muss durch den Bohrbetrieb dokumentiert werden. Besondere Sorgfalt erfordert die Verfüllung des Ringraums um die Erdsonde (Verpressung). Eine ordnungsgemäß ausgeführte Verpressung

• gewährleistet einen guten Wärmeübergang zwischen Erdwärmesonde und Erdreich,
• schützt den Untergrund gegen das Eindringen wassergefährdender Stoffe und
• schützt die einzelnen Grundwasserführungen vor hydraulischen Kurzschlüssen.

Als Verpressmaterial dient in der Regel eine Zement-Bentonit-Suspension, mit der das Bohrloch von der Sohle her aufsteigend verfüllt wird. Neben dem gewählten Material ist die Verfahrensweise der Ringraumabdichtung entscheidend. Die Ausführung von Erdsondenbohrungen erfordert qualifizierte, spezialisierte Unternehmen, die über die nötigen Erfahrungen sowie entsprechende Zertifizierungen verfügen. Dazu gehören die Zertifizierung als Fachunternehmen nach DVGW W 120 sowie das internationale Gütesiegel für Erdwärmesonden-Bohrunternehmen. Damit verpflichtet sich das ausführende Unternehmen zur Einhaltung definierter Qualitätsstandards. Diese sind zum Beispiel dadurch definiert, dass durch die Herstellung und den Betrieb einer Erdwärmesonde weder der Grundwasserfluss noch die Grundwassereigenschaften beeinflusst werden.

LECKAGEÜBERWACHUNG FÜR ERDWÄRMESONDEN
Innerhalb der Gebäudetechnik-Installation ist sicherzustellen, dass von eingesetzten Glykolgemischen im Sondenkreislauf keine Gefährdung des Grundwassers ausgehen kann. Je nach Bundesland kann die Ausstattung der Erdsondenanlage mit einer Leckageüberwachung gefordert sein, die bei Druckabfall die Umwälzpumpe abschaltet, um den Austritt von Wärmeträgerflüssigkeit in den Untergrund zu verhindern. Hier ist auch der Anlagenbetreiber in der Verantwortung, regelmäßig die Dichtheit des Sondenkreislaufs zu kontrollieren.

www.baugrundsued.de
www.weishaupt.de

WEISHAUPT STÄRKT GESCHÄFTSFELD WÄRMEPUMPEN
Die stark gestiegene Nachfrage nach Wärmepumpen hat den Heiztechnik-Hersteller Weishaupt dazu veranlasst, mit dem Zukauf eines Unternehmens der Geothermie neue Perspektiven zu eröffnen. Zu Beginn des Jahres 2009 hat die Weishaupt Holding GmbH an der BauGrund Süd Gesellschaft für Geothermie mbH eine Mehrheitsbeteiligung übernommen. BauGrund Süd ist spezialisiert auf Bohrungen im Bereich der oberflächennahen Geothermie zur Nutzung der Erdwärme für Heizung und Kühlung mittels Wärmepumpen. Das Bohrunternehmen mit Sitz im oberschwäbischen Bad Wurzach beschäftigt 156 Spezialisten und verfügt über 22 Bohrgeräte. Mit dem Einstieg von Weishaupt als Gesellschafter wurde BauGrund Süd in die Lage versetzt, das rapide Wachstum im Bereich geothermischer Wärmepumpenanlagen zu bewältigen. Weishaupt verspricht sich aus diesem Engagement eine wesentliche Unterstützung bei der schnellen Markteinführung des noch jungen Geschäftsfeldes Wärmepumpen.

Die BauGrund Süd GmbH ist spezialisiert auf Bohrungen im Bereich der oberflächennahen Geothermie.