Solegeführte Erdwärmenutzung

Als Untergrund wird die gesamte, unterhalb der Erdoberfläche befindliche Materie bezeichnet, wobei die Tiefe bis 400 m als oberflächennaher Bereich bezeichnet wird. In seiner Masse – von der 99 % heißer als 1000 °C ist – bildet der Untergrund einen überdimensionalen thermischen Akkumulator. Die Nutzung der Umweltwärme im oberflächennahen Untergrund, die auch als Erdwärme oder (oberflächennahe) Geothermie bezeichnet wird, erfolgt u.a. mit erdgekoppelten Wärmepumpenanlagen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden.

Zentrale Planungsgrundlage

Die VDI-Richtlinie 4640 „Thermischen Nutzung des oberflächennahen Untergrunds“ ist die zentrale Planungsgrundlage zur Auslegung und Dimensionierung von Wärmequellenanlagen für Zentralheizungswärmepumpen bis 30 kW Nenn-Wärmeleistung. Die VDI 4640 besteht aus vier Teilen:

– Blatt 1: Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte (Ausgabedatum: 2000-12)

– Blatt 2: Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen (2001-09)

– Blatt 3: Unterirdische thermische Energiespeicher (2001-06)

– Blatt 4: Direkte Nutzungen (2004-09)

Zentrale Bedeutung für die Planung besitzt das Blatt 2. Es unterstreicht in seinen Ausführungen zudem die Tatsache, dass es sich bei der Wärmequellenanlage für erdgekoppelte Wärmepumpen um eine eigenständige Anlage handelt. Diese muss den jeweils individuellen Bedürfnissen und Anforderungen bezüglich der notwendigen Entzugsleistung, die z.B. vom Handwerker zu gewährleisten ist, entsprechen.

Erdboden als Wärmespeicher

Die mittlere Oberflächentemperatur der Erde liegt derzeit im Mittel bei etwa 13 °C. Der Anteil des geothermischen Wärmeflusses beträgt unmittelbar an der Oberfläche etwa 0,10 W/m². Bis zu einer Tiefe von ca. 15 m dominiert die thermische Beladung des Untergrunds durch direkte Sonneneinstrahlung und Niederschlag. Im Grunde ist dieser oberflächennaheste Bereich als eine Art Saisonal-Wärmespeicher zu begreifen, der im Frühling, über den Sommer bis in die Übergangszeit thermisch beladen wird. Innerhalb der darauf folgenden Heizperiode wird dieser „natürliche“ Saisonal-Wärmespeicher durch eine erdgekoppelte Wärmepumpe thermisch entladen. Diese thermische Entladung ist der Wärmeentzug, den die Wärmequellenanlage erfüllen muss, und sie definiert den Anteil an Umweltwärme zur Bereitstellung von Wohnwärme.

In einer Tiefe zwischen etwa 15 und 25 m befindet sich die „neutrale Zone“, in der sich das Verhältnis des thermischen Einflusses auf die Materie Untergrund umkehrt: Ab hier ist der geothermische Wärmefluss aus dem Inneren der Erde dominant, was zu konstanten Wärmequellentemperaturen von mehr als 10 °C im gesamten Jahreslauf führt. Das bedeutet eine Unabhängigkeit von den klimatischen Bedingungen bzw. Auswirkungen der Jahreszeiten. Die thermische Beladung über die Erdoberfläche ist also unterhalb der neutralen Zone vernachlässigbar.

Je 100 m Tiefe steigt die Temperatur des Untergrunds um etwa 3 K. In einer Tiefe von 400 m ist es schon mehr als 20 °C warm. Unterhalb von 400 m spricht man übrigens von Tiefen-Geothermie, die meist zur Stromerzeugung genutzt wird.

Solegeführte Wärmequellenanlage

Für den Wärmeentzug aus dem Untergrund ist in allen Fällen eine Wärmequellenanlage notwendig. Die Wärmenutzung erfolgt meist mit einem solegeführten Wärmeübertrager. Das Wärmeträgermedium, das im Absorber die Wärme aufnimmt, besteht aus einem Wasser-Glykol-Gemisch. Im Vergleich zu einer solarthermischen Wärmequellenanlage, wo ein Frostschutz von –25 °C notwendig ist, genügt in solegeführten Wärmequellenanlagen eine Absicherung von –10 bis –15 °C. Auch die Bestandteile der Solehydraulik sind denen der Solarthermieanlage ähnlich. Neben der Umwälzpumpe mit Schwerkraftbremse bzw. Rückschlagklappe besteht eine solegeführte Wärmequellenanlage aus den folgenden Bestandteilen:

– Membran-Sicherheitsventil

– Membran-Druckausdehnungsgefäß

– Anlagendruckmanometer

– Spül-, Füll- und Entleereinrichtung

– Absperreinrichtungen

– Temperaturanzeigen

Diese Bauteile sind im Gebäudeinneren in ­unmittelbarer Nähe zur Sole-Wasser-Wärmepumpe angeordnet.

Praxistipps:

• Um das Material zu schonen, sollten sämtliche Bauteile in den Sole-Vorlauf eingesetzt werden.
• Eine Wärmedämmung der soleführenden Leitungen ist notwendig. Diese muss aus einem für Kälteleitungen geeigneten Material bestehen und sorgfältig diffusionsdicht verkleben sein, um Schwitzwasserbildungen zu vermeiden.
• Außerhalb des Gebäudes befindet sich lediglich der Soleverteiler. Dieser bildet die Schnittstelle zwischen Wärmeübertrager und Soleanschlussleitung zur Wärmepumpe über die Sole-Hydraulik.

Positionierung des Soleverteilers

Die Position des Soleverteilers ist unabhängig vom Wärmeübertrager zu wählen, wobei stets auf eine gute Zugänglichkeit geachtet werden sollte. Als sehr gute Lösung empfiehlt sich das Setzen eines Betonringschachtes. ­Dies gilt insbesondere auch für den Einsatz von Flächenerdwärmeabsorbern, wo ja auch das Zwischenlagern des Aushubs, was oft unterschätzt wird, sichergestellt sein muss. Im Gebäudebestand kann der Soleverteiler theoretisch auch an der Kelleraußenwand in einem Lichtschacht positioniert werden. Die Mauerdurchführungen sind in jedem Fall luft- und wasserdicht herzustellen.

Vom Soleverteiler aus erfolgt lediglich die Verlegung der Sole-Anschlussleitungen (Vor- und Rücklauf) zum Aufstellort der Wärmepumpe (meist DA 40). Weitere Installationstipps:

• Die Sole-Anschlussleitung sollte auf den direkten Weg verlegt werden und sich größtenteils außerhalb des Gebäudes befinden, da im Inneren ein erhöhter Wärmedämm-Bedarf entsteht.
• Wichtig ist, dass sich die einzelnen Solekreise hydraulisch einregulieren und separat absperren lassen.
• Grundsätzlich ist die gleiche Länge der einzelnen Solekreise anzustreben – egal ob ein Flächenerdwärmeabsorber oder eine Erdwärmesondenanlage zur Ausführung kommt. Bei Flächenerdwärmeabsorbern empfiehlt sich die Verwendung von 100-m-Rollen, wie sie der Fachgroßhandel anbietet.
• Die Erdwärmesonde, die dem Verteiler am nächsten liegt, wird in der Regel am tiefsten gesetzt und die am weitesten entfernte am höchsten. Um jede Sonde maximal tief setzen zu können, ist ein hydraulischer Abgleich am Soleverteiler notwendig.
• Bei Erdwärmesondenanlagen bildet der ­Soleverteiler die Ausführungs- und Gewährleistungsschnittstelle zwischen Bohrunternehmer und SHK-Handwerk. Nach der Erstellung der Sondenanlage bzw. des Absorbers muss der Ersteller diese einer dokumentierten Dichtheitsprüfung unterziehen. Vorher darf das Erdreich nicht verfüllt werden. Der Sole-Wärmeübertrager lässt sich somit vollständig herstellen und überprüfen. Der Soleanschluss ins Gebäude kann auch zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen.

Arten von Erdwärmeabsorbern

Allein der Wärmeübertrager ist für die notwendige Aufnahme von Umweltwärme aus dem Erdreich verantwortlich. Er muss für die jeweiligen Anforderungen so ausgelegt werden, dass ausreichend Wärme aus dem Untergrund absorbiert wird. Die Dimensionierung der Wärmeübertrager wird überschlägig über die Nenn-Wärmeleistung der Wärmepumpe abzüglich der elektrisch zugeführten Energie entsprechend des Wärmeübertragers ermittelt. Als Wärmeübertrager gelten die zwei klassischen Bauarten mit folgenden Auslegungskriterien:

– Flächenerdwärmeabsorber mit einer mittleren Wärmequellentemperatur von 0 °C (= S0)

– Erdwärmesonden mit einer mittlere Wärmequellentemperatur von 5 °C (= S5)

Die Unterschiede der mittleren Jahrestemperatur entsprechen dem Wärmeregime im Untergrund in der horizontalen bzw. vertikalen Erdwärmenutzung.

Flächenerdwärmeabsorber

Der Flächenerdwärmeabsorber nutzt Wärmepotenziale unmittelbar unterhalb der Frostgrenze in horizontaler Bauart und kann auch vom SHK-Handwerker erstellt werden. Notwendig ist lediglich eine Anmeldung und kein aufwendiges Genehmigungsverfahren. Zu beachten ist, dass die gesamte Fläche, in der sich der Flächenerdwärmeabsorber befindet, weder überbaut noch versiegelt werden darf.

Natürliche Regeneration

Die einwandfreie Funktion dieser Wärmequellenanlage setzt die natürliche Regeneration im Sommer durch Sonneneinstrahlung und Niederschlag voraus. Denn über den Flächenerdwärmeabsorber kann nur soviel Umweltwärme genutzt werden, wie durch natürliche Regeneration diesem thermischen Akku bereit gestellt wird. Somit ist der Untergrund zu Begin der Heizperiode thermisch auf das Jahresmaximum zu beladen (etwa 15 °C und mehr), um bis in das Frühjahr hinein annähernd konstante Temperaturen an die Wärmepumpe zu bringen. Entsprechend der Dimensionierung verringert sich die nutzbare Wärme auf ein Temperaturniveau von 0 °C. Ein Temperaturabfall aus dem Erdreich in den Minusbereich sollte – wenn überhaupt – nur ganz am Ende der Heizperiode erfolgen. Wenn nicht, liegt der Verdacht nahe, dass es sich um eine Unterdimensionierung der Wärmequellenanlage handelt.

Entzugsleistung

Bei den horizontalen Entzugsleistungen nach VDI 4640 (Bild 2) ist es grundsätzlich empfehlenswert, den niedrigeren Wert zu nehmen. Ein Mittelwert von 20 W/m² hat sich in der Praxis bei bindigem Lehmboden als allgemein ausreichend erwiesen. Je geringer der Entzug pro m² ist, desto sicherer findet eine ausreichende natürliche Regeneration der Wärmequelle statt. Umgekehrt gilt: je höher der Entzug pro m², desto schwieriger wird es, durch natürliche Regeneration, konstante Wärmequellentemperaturen zu erreichen und ein Abfallen der Wärmequellentemperatur auf unter 0°C zu vermeiden.

Dimensionierungsbeispiel

Dimensionierungsbeispiel Flächenerdwärmeabsorber:

Nennwärmeleistung (bei S0/W35):8,3 kW

Elektrisch zugeführte Leistung (bei S0/W35):1,85 kW

Anteil an Umweltwärme:6,45 kW

Auslegung Flächenerdwärmeabsorber:6,5 kW

Wärmeentzug aus

dem Untergrund:20 W/m² Platzbedarf Flächenerdwärmeabsorber:325 m²

Montagetipps

• Als Material für die Absorberrohre hat sich PE durchgesetzt. Entsprechend der Dimensionierung sind folgende Mindest-Verlegeabstände (VA) bei Absorberrohren von Flächenerdwärmeabsorbern zu berücksichtigen

– DA 20: mind. 30 cm

– DA 25: mind. 50 cm

– DA 32: mind. 80 cm

– DA 40: mind. 120 cm

• Werden die Mindestabstände nicht eingehalten, kann es bei einer Eisringbildung um die einzelnen Absorberrohre herum zu Verschmelzungen kommen, die im Extremfall ­eine großflächige Eisplatte bilden. Dadurch würde im Sommer die Versickerung des Niederschlags negativ beeinflusst.
• Bei entsprechender Wärmedämmung kann die Gefahr des gegenseitigen Wärmeentzugs eliminiert und der Verlegeabstand entsprechend geringer realisiert werden.
• Für den Flächenerdwärmeabsorber hat sich DA 25 bezüglich eines ausreichend großen Volumenstroms und der Verarbeitbarkeit durchgesetzt. Zur Verlegung der Absorberrohre in Mäandern oder Schnecken (Biege­radius) ist DA 32 schwieriger zu verarbeiten als DA 25.
• Die Rohrgröße DA 40 wird in der Regel nur für die Sole-Anschlussleitung vom Soleverteiler zum Aufstellort der Wärmepumpe benötigt.
• Wichtig ist ein vollständiges Einbetten mit Sand oder feinem Mutterboden, um eine optimale Wärmeübertragung zu ermöglichen. Steine oder Erdbrocken können zu Lufteinschluss um das Absorberrohr führen und wirken sich auf die Wärmeübertragung „isolierend“ aus.

Erdwärmesonden

Erdwärmesonden übertragen Wärme aus Bereichen unterhalb der neutralen Zone. Sie haben einen geringen Platzbedarf und dürfen überbaut werden. Die meisten Erdwärmesonden werden in Form von Doppel-U-Rohrsonden ausgeführt. Diese bestehen aus je zwei Solekreisen, die unterhalb der Frostgrenze in horizontaler Leitungsführung zu einem Solevor- und -rücklauf über so genannte Y-Stücke zusammengeführt werden. Die zusammengeführten Solekreise werden an den Soleverteiler angeschlossen. Pro Erdwärmesonde ist somit ein Verteiler- und ein Sammleranschluss notwendig. Die PE-Rohre sind zu schweißen und ebenso in Sand einzubetten wie die Absorberrohre des Flächen­erdwärmeabsorbers.

Genehmigungspflichtige Anlage

Die Herstellung einer Erdwärmesondenanlage darf nur durch einen qualifizierten und zugelassenen Bohrunternehmer erfolgen, der nach DVGW Arbeitsblatt W 120 zertifiziert ist. Notwendig ist zudem ein Genehmigungsverfahren, für das die Planung der Erdwärmesondenanlage nachzuweisen ist (inklusive Ausbauvorschläge in zeichnerischer Form mit Schichtenverhältnissen im Untergrund, Positionierung der Erdwärmesonden, Unbedenklichkeitsnachweis des Verpressungsmaterial und des Glykols sowie diverse Angaben zur Wärmepumpenanlage und Qualifizierungsnachweise). Nach Prüfung wird die Genehmigung mit entsprechenden Auflagen zur Durchführung erteilt. Die Behörde behält sich das Recht vor, die Bohrstelle zu kontrollieren. Wichtig für die Leistungserstellung ist die Erfüllung der definierten Entzugsleistung in kW, unabhängig von etwaigen Sondenmetern bzw. von der Anzahl der Erdwärmesonden. Das Leistungsverzeichnis für den Bohrunternehmer muss die notwendige Entzugsleistung in kW enthalten. Ebenso ist der Bohrunternehmer für die Dichtheit und Funktion der Wärmequellenanlage verantwortlich.

Auslegungshinweise

Wie auch bei der Dimensionierung eines Flächenerdwärmeabsorbers kommt eine großzügige Auslegung immer auch der Wärmequellenanlage zugute. Für die überschlägige Ermittlung der Sondenlänge kann ein Wert von 50 W/m empfohlen werden. Grundsätzlich gilt: Ein steiniger Untergrund hat eine bessere Wärmespeicherkapazität als das Erdreich.

Eine Kühlung lässt sich mit Erdwärmesonden stets realisieren. Zu empfehlen ist die passive Kühlung, die nur mittels natürlicher Wärmesenke im Erdreich funktioniert. Lediglich die Umwälzpumpen von Heiz- und Solekreis sind hierbei in Betrieb.

Diemensionierungsbeispiel

Dimensionierungsbeispiel Erdwärmesonden

Nennwärmeleistung (bei S5/W35):7,8 kW

Elektrische zugeführte Leistung (bei S5/W35):1,54 kW

Anteil an Umweltwärme:6,26 kW

Auslegung Erdwärmesonde:6,5 kW

Wärmeentzug aus dem Untergrund (50 W/m):130 m

Die Anzahl der Erdwärmesonden ergibt sich aus der zulässigen Bohrtiefe. Unter Ausnutzung der jeweiligen Bohrtiefe von z.B. 80 m können die zwei Erdwärmesonden insgesamt 20 m tiefer gebohrt werden (2 x 75 m).

Planungshinweise

Bei beiden Sole-Wärmeübertragern ist die Anzahl der Jahres-Betriebsstunden zu beachten. Bezogen auf die oben genannten Dimensionierungsbeispiele werden bei 2000 Betriebsstunden pro Jahr etwa 13000 kWh Wärme aus dem Erdreich entzogen. Die zugeführte Leistung entspricht etwa 3400 kWh für den Arbeitsprozess des Kompressors zuzüglich von etwa 400 kWh für die Sole-Umwälzpumpe; insgesamt also 3800 kWh. Im Verhältnis zum Anteil der Umweltwärme ergibt sich rein rechnerisch eine Jahres-Arbeitszahl von 4,7 bei einem Heizwärmebedarf von 16000 kWh/a. Grundlage ist die tatsächliche Wärmeleistung der Wärmequellenanlage.

Das Rechenverfahren zur Berechnung der Jahres-Arbeitszahl ist die VDI 4650, die aus sechs Teilen besteht. In Blatt 1 dieser Richt­linie werden Jahresarbeitszahl und Jahresaufwandszahl definiert. Letztere ist besonders wichtig zur energetischen Bewertung nach DIN 4701-10. Die Jahresarbeitszahl ist das gemessene Ergebnis der Verhältnismäßigkeit von abgegebener thermischer Leistung an die Wärmenutzungsanlage und der dafür zugeführten elektrischen Energie für den Kompressorantrieb und Hilfsantrieben.

Die Jahresaufwandszahl ist der Kehrwert der Jahresarbeitszahl. Bei einer JAZ von 4,7 ergibt sich eine Jahresaufwandszahl von 0,212. Selbst bei einer JAZ von 3,0 ergibt sich noch eine Jahresaufwandszahl von 0,33. Die Jahresaufwandszahl einer Wärmepumpenanlage ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig.

Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme von solegeführten Wärmequellenanlagen ist mit der Inbetriebnahme von solarthermischen Anlagen zu vergleichen. Wichtig sind nach der Dichtigkeitsprüfung das Spülen der Anlage und das Mischen des Wasser-Glykol-Gemisches (Sole) mit entsprechendem Frostschutz. Je besser die Wärmequellenanlage dimensioniert ist, umso geringer kann der Frostschutz gewählt werden. Dadurch wird die Viskosität der Sole – und damit auch der der Arbeitsaufwand für die Sole-Umwälzpumpe – nicht unnötig erhöht.

Wichtig ist zudem, den Solekreis vollständig zu entlüften und den Volumendurchsatz festzustellen. Das MAG ist wie bei solarthermischen Anlagen zu überprüfen und zu verplomben.

Beim Betrieb des Kompressors sollte sich eine maximale Temperaturdifferenz von 3–4 Kelvin zwischen Solevor- und Solerücklauf einstellen.

Fördergeld

Ein interessanter Hinweis noch zum Schluss: Seit Januar 2008 werden auch Wärmepumpen über das Marktanreizprogramm gefördert. Die Anforderungen der BAFA-Zuschüsse verlangen eine fachgerechte Planung einschließlich des Nachweises von Mindest-Jahres­arbeitszahlen per Fachunternehmererklärung. Ferner muss ein hydraulischer Abgleich durchgeführt und die Heizkurve der Heizungsregelung dem Gebäude angepasst werden. Eine weitere Fördervoraussetzung ist der Einbau von Strom- und Wärmemengenzähler.

Eine Wärmepumpen-Zentralheizungs­anlage kann nur so gut sein wie die davor geschaltete Wärmequellenanlage. Je besser und sorgfältiger die Planung und Ausführung der Wärmequellenanlage erfolgt, desto langlebiger und konstanter wird die Wärmequellentemperatur sein. Das SHK-Fachhandwerk ist gut beraten, sich durch zielorientierte Weiterbildungsmaßnahmen den Herausforderungen zu stellen.

Unser Autor Frank Hartmann ist Gas-Wasser-Installateur, Heizungs- und Lüftungsbauer, Elektroinstallateur und Energietechniker. Nach mehrjähriger Tätigkeit im Handwerk mit Schwerpunkt Erneuerbare ­Energien gründete er das „Forum Wohnenergie“ als Dienstleistungszentrum für energieeffizientes Bauen und Modernisieren; 97509 Zeilitzheim, Telefon (0 93 81) 71 68 31, Telefax (0 93 81) 71 63 30, http://www.forum-wohnenergie.de