Das Erdreich als Wärmequelle für Erdwärmepumpen

 

Die drei gängigen Wärmequellen für die Nutzung von Umgebungswärme sind

• die Luft

• das Erdreich

• das Grundwasser

Die Außenluft schwankt in seiner Wärme mit den Temperaturveränderungen Tag und Nacht sowie jahreszeitenbedingt. Das Erdreich weist hingegen eine relativ konstante Temperatur über die meisten Monate im Jahr auf. Bei Außenluft kann die Temperatur im Winter schon einmal – 25 Grad erreichen. Beim Erdreich schwankt die Temperatur in der Regel nur zwischen -5 und 15 Grad. Dadurch wird weniger Zusatzenergie zum Verdichten benötigt und die Wärmepumpe arbeitet effizienter bei gleichzeitiger Konstanz der Energienutzung. Damit bildet das Erdreich eine gute Voraussetzung für den Einsatz von Erdwärmetauscher und für die monovalente Heizung eines Hauses, d. h. ohne weiteren Kessel.

Schwierigkeiten, die bei der Wärmequelle Erdreich entstehen können, ist die Eisbildung – sei es bei der Gewinnung von Erdwärme über Flächenkollektoren oder Erdsonden. Frost hingegen ist kein Problem, da die Sole ein Frostschutzmittel bis -15 Grad ist und Erdsonde tief unterhalb der Frostgrenze liegen.

Flächenkollektoren zur Gewinnung von Erdwärme:

Flächenkollektoren schlängeln sich mäanderförmig als Rohrsystem horizontal unterhalb der Frostgrenze von 1 bis 2 m Tiefe über einen Teil des Grundstücks. Die Rohre sind in einem Abstand von ca. 50 cm parallel zueinander platziert. In etwa wird bis zur doppelten Fläche an nutzbarem Grundstück benötigt wie im Haus geheizt werden muss, sofern das Haus modern gedämmt ist. Bei schlechter Dämmung kann die Fläche das Zwei- bis Dreifache betragen. In den Rohren zirkulieren Frostschutzmittel „Sole“ (indirekte Wärmepumpen) oder das Verdampfungsmittel selbst (direkte verdampfende Wärmepumpen). Bei der Direktverdampfung wird sogar ein höherer Wirkungsgrad erzielt gegenüber Wärmepumpen mit Sole. Zwar sind die Rohre mit Direktverdampfung teurer, doch weisen sie gegenüber den Sole-Wärmepumpen eindeutige Vorteile auf.

Der Erdwärmetauscher in Form von Flächenkollektoren nutzt nahezu ausschließlich die durch Sonnenenergie erwärmte Erde. Daher dürfen die Kollektoren nicht versiegelt oder überbaut werden.

Da das Rohrschlangensystem „nur“ bis 1,5 m tief in der Erde steckt, ist Vorsicht bei der Anpflanzung von Bäumen mit tiefem und starkem Wurzelwerk angesagt.

Erdsonden zur Gewinnung von Erdwärme:

Insbesondere bei kleineren Grundstücken bieten sich Erdsonden an, die anders als bei Flächenkollektoren statt horizontal vertikal ins Erdreich reichen und so den Wärmetausch vornehmen. Die Rohrlänge reduziert sich um nahezu 40 Prozent gegenüber Flächenkollektoren.

Diese Erdsonden können bis zu 100 Meter tief in die Erde eingelassen werden. In die Erde ragen eine oder mehrere parallele Erdsonden, die die im Erdreiche gespeicherte Erdwärme aufnahmen. Des Weiteren gibt es Spiralkollektoren, die für Gräben gedacht sind und eine Länge von etwa zwei Metern aufweisen. Spiralkollektoren werden auch als Energiekörbe bezeichnet. Bis zu einer Tiefe von 10 Meters ist das Erdreiche durch die Sonneneinstrahlung gewärmt. Tiefer als 10 Meter bleibt die Erde recht konstant durch die erdinnere Wärme. Umso tiefer es ins Erdreich geht, umso wärme wird es. Pro 100 Meter sind das ungefähr 3 Grad Celsius.Lehmige Böden mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt weisen eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf und eignen sich für Erdsonden besser als trockene und sandige Böden, weil diese nicht so gut die Wärme leiten. Feuchte Böden erzielen einen besseren Wärmedurchgang. Die Steigerung kann bis zu 50 Prozent betragen.

Ein geologisches Bodengutachten ist bei Erdsonden wegen des Durchstoßes von Wasserschichten notwendig. Darüber hinaus bedarf es es einer wasserrechtlichen Genehmigung. Diese kann Auflagen wie das Versiegeln von durchstoßenden Wasserschichten beinhalten. Das ist aber in der Regel kein Problem. Es arbeiten die Hälfte aller Wärmepumpen in Deutschland auf Basis von Erdsonden.

Weitere Systeme zur Gewinnung von Erdwärme:

Neben Flächenkollektoren und Erdsonden gibt es Energiezäune, Grabenkollektoren und Energiepfähle. Diese bilden allerdings Sonderformen und werden nur unter besonderen Bedingungen eingesetzt. So etwa können Energiepfähle bei Objekten mit Fundamentrammpfählen kombiniert werden. Energiezäune sollen Bauteile des Hauses zur Energiegewinnung nutzen, zum Beispiel Dächer und Fassaden. Diese Elemente sind aber noch nicht ausgereift und die Kosteneinsparung gegenüber der Investition noch nicht ausschlaggebend.