Wärmequelle Erdreich: Erdsonde / Grabenkollektor / Spiralkollektoren

Von enormer Bedeutung für die Errichtung einer Heizung mit Wärmepumpe ist die Auswahl der richtigen Wärmequelle. Wärme aus der Umwelt kann aus dem Erdreich, der Luft und dem Grundwasser entzogen werden. Analog zur Wärmequelle und dem Wärmeträger auf der Heizungsseite unterscheidet man folgende Bauarten:

• Sole–Wasser–Wärmepumpe
• Wasser–Wasser–Wärmepumpe
• Luft–Wasser–Wärmepumpe
• Luft– Luft–Wärmepumpe

Bei der Sole–Wasser–Wärmepumpe besteht die Wärmequelle aus einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf. Die Flüssigkeit wird Sole genannt. Bekannt ist der Begriff Sole eigentlich von Heilbädern mit Salzwasser. Früher wurden als Frostschutzmittel Salze verwendet, deshalb der Name Sole. Wegen der Korrosionsgefahr werden heutzutage überwiegend Glykole eingesetzt, bzw. ein Wasser–Frostschutzgemisch. Die Sole wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe durch Rohrleitungen befördert. Wenn als Wärmequelle das Erdreich genutzt wird, nimmt die Sole dort gespeicherte Wärme auf und wird zum Verdampfer der Wärmepumpe transportiert. Die gewonnene Wärme wird dort auf das Kältemittel übertragen. Dabei kühlt sich die Sole ab und wird wieder der Wärmequelle, dem Erdreich zugeführt, um dort erneut Wärme aufzunehmen. Für die Sole–Wasser–Wärmepumpe gibt es mehrere Möglichkeiten eine Wärmequelle zu erschließen.

Wärmequelle: Erdreich

Der Wärmestrom aus dem Erdinneren im oberflächennahen Erdreich ist ohne Bedeutung. Die Wärmequelle Erdreich ist gespeicherte Sonnenenergie, die entweder aus direkter Sonneneinstrahlung oder indirekt in Form von Regenwasser oder von der Umgebungsluft aufgenommen wird. Diese Umweltenergie bzw. Erdwärme kann durch einen Erd- oder Grabenkollektor gesammelt werden.

Grabenkollektor:

Hierbei werden im Erdreich Kunststoffrohrleitungen horizontal in einer Tiefe von 1,30m–1,50m verlegt. Es können mehrere Solekreisläufe verlegt werden, die aber einzeln eine Länge von 100m nicht überschreiten sollten. Die Rohrlängen sollten nur sehr wenig von einander abweichen. Die Auslegung des Grabenkollektors ist nach der Leistung der Wärmepumpe zu berechnen. Der Grabenkollektor benötigt eine ausreichend große Grundstücksfläche, grob gesagt doppelt so groß wie die Wohnfläche des Wohngebäudes. Im Jahresdurchschnitt liegt der Wärmeentzug aus dem Boden bei ca. 20W/m2. Dieser Wert schwankt jedoch erheblich und ist vom Grundwasserspiegel und der Bodenfeuchtigkeit durch Regenwasser abhängig. Im Winter kann sich je nach Wärmeentzug, der Erdboden um den Kollektor auf Minusgrade abkühlen. Um die Rohrleitungen könnte sich ein Eispanzer bilden. Da Eis ein guter Isolator ist, würde in diesem Fall die Wärmequelle versagen, und die Funktion der Wärmepumpe wäre dann nicht mehr gewährleistet. Ferner müsste man mit Vegetationsstörungen und Frosthebungen rechnen.

Auf der Fläche die ein Grabenkollektor benötigt, darf man keine tiefwurzelnden Bäume pflanzen, Gebäude oder Gartenhäuschen errichten, den Boden mit Beton oder Wegeplatten versiegeln. Die Niederschläge müssen ungehindert den Kollektor erreichen. Je höher die Bodenfeuchtigkeit desto besser und kontinuierlicher ist die Wärmequelle. Um die benötigte Fläche vom Grabenkollektor zu verringern, kann man im Erdreich auch zwei Meter lange Spiralkollektoren in 3,50 m Tiefe einbringen.

Der Arbeits- und Materialaufwand ist jedoch höher. Zusätzlich sollte man alle später nicht mehr zugänglichen Rohrverbindungen im Erdreich mit speziellen Schweißmuffen verschweißen. Wer hier mit Verschraubungen arbeitet handelt fahrlässig. Auch bei Spiralkollektoren muss man einen bestimmten Abstand untereinander peinlich genau einhalten. Es wurde schon beobachtet, dass auf kleinen Neubaugrundstücken die einzelnen Spiralkollektoren sehr dicht in den Erdboden eingelassen wurden. Auch hier kann wegen der Vereisungsgefahr eine spätere Funktionsstörung der Wärmepumpe auftreten.

Der Betrieb eines Erdkollektors mit oder ohne Spiralkollektoren ist je nach Bundesland anzeige- oder genehmigungspflichtig. In einem Wasserschutzgebiet wird normalerweise keine Genehmigung erteilt.

Erdwärmesonde:

Wer wenig Grundstücksfläche zur Verfügung hat und die Wärmequelle Erdreich nutzen möchte, baut sich eine vertikale Erdsondenanlage. Die Erdsonde besteht aus zwei U-förmigen Kunststoffrohren, die in einer Bohrung abgeteuft, im Erdreich fest installiert werden.

Die Erdsonde liegt in Tiefen von 60–100 Meter. Der Erdboden hat ab 10 Meter Tiefe eine fast gleich bleibende Temperatur, egal ob Sommer oder Winter ist. Die Erdsonde mit Tiefenbohrung ist eine ideale, stabile und meist genutzte Wärmequelle mit sehr langer Lebenszeit, und für mehrere Generationen nutzbar. Eine besondere Wartung oder Überwachung ist nicht notwendig. Da die Bohrung verpresst werden muss, ist ein optimaler Wärmeübergang vom Erdreich zur Erdsonde gewährleistet. Die Wärmeentzugsleistung liegt im Mittel bei ca. 50W pro Meter und ist von den Bodengegebenheiten abhängig. Die Gefahr einer Vereisung im Erdboden ist bei richtiger Berechnung kaum gegeben. Es entsteht natürlich eine Kältefahne, deshalb müssen benachbarte Erdsonden einen bestimmten Abstand zueinander aufweisen.

So kann man bei zwei Erdsonden mit Tiefenbohrung mit jeweils 100 m Länge ca. 9 kW aus der Wärmequelle Erdreich entnehmen. Damit lässt sich eine Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 12 Kilowatt betreiben, was auch für Einfamilienhäuser ohne besondere Wärmedämmung ausreicht. Nur an den meist wenigen sehr kalten Tagen im Jahr muss man mit einem zusätzlichen Elektroheizstab zuheizen.

Die Ausführung der Bohrarbeiten ist nur nach ausdrücklicher Genehmigung der zuständigen Behörden gestattet. Auch hier gilt: In einem Wasserschutzgebiet wird in der Regel keine Genehmigung erteilt.