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Die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme bezeichnet die Erdwärme.
Sie zählt zu den regenerativen Energien und umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann.
Sie dient der direkten Nutzung, wie zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt (Wärmepumpenheizung), als auch der indirekten Nutzung, wie zur Umwandlung in Strom oder in ein Geothermie Kraftwerk (Kraft-Wärme-Kopplung). Mittels Erdwärmesonden, Kollektoren, Energiepfählen oder Wärmebrunnenanlagen, erfolgt die Nutzung der Erdwärme.
Global gesehen ist die Geothermie eine langfristig nutzbare Energiequelle.
Hinzu kommt, dass im Gegensatz zu erneuerbaren Energie, die Erdwärme weder von Tag und Nacht, noch von Wind und Wetter, auch nicht von den Jahreszeiten beinflussbar ist.
Eine Erdwärmesonde (EWS), ist ein geschlossenes Rohrsystem, befüllt mit einer zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit.
Dieses wird in der Regel in ein vertikal oder seltener schräg angeordnetes Bohrloch in den Untergrund eingebaut.
Aus dem Erdreich wird mit der Erdwärmesonde Wärme entzogen, die wiederum meist an den Wärmetauscher (Verdampfer) einer Erdwärmepumpe weitergegeben wird.
Mittels der Wärmepumpe ist die wirtschaftliche Nutzung der Erdwärme zur Gebäudeheizung möglich. Kurzum ist die EWS eine Nutzungsmöglichkeit der oberflächennahen Geothermie.
Sie schöpft durch Erdsonden nachhaltige Wärme und schont somit die Umwelt.
Durch Wärmepumpen dienen Erdwärmesonden hauptsächlich der Gewinnung von Umgebungswärme. Über Erdsonden kann aber auch die Variante zur Kühlung umgesetzt werden. Hierbei wird Wärme aus Gebäuden über die Wärmepumpe in das Erdreich übertragen. Für die Abkühlung der Wärmeträgerflüssigkeit dient also das Erdreich.
Diese kann nicht kühler als die Bodentemperatur werden. Eine nachgeschaltete Kältemaschine wird erst dann nötig, wenn tiefere Temperaturen notwendig sind. Ausschliesslich zum Heizen werden tiefe Erdwärmesonden eingesetzt. Falls der Kühlfall auch abgedeckt werden soll, können die Bohrtiefen auf Grund der Speicheranwendung reduziert werden.
Eine umfangreiche Berechnung unter Einbeziehung von geologischen und heiztechnischen Parametern erfordern die Planungen für Erdwärmesonden.
Bei der häufigsten verwendeten Doppel- U-Sonde verläuft der Bauablauf wie folgt ab (kann bei anderen Sonden Typen leicht variieren):
Als erstes wird mit einer mobilen Bohranlage eine Bohrung im Spül- oder Trockenbohrverfahren, je nach Gestein mit oder ohne Verrohrung, vollbracht.
Als nächstes wird in das Bohrloch, nach dem Abteufen der Bohrung bis zur geplanten Tiefe, das Sonden-Bündel eingebracht. Mit einem Füllmaterial, welches möglichst mit einer guten Wärmleitfähigkeit ausgestattet ist, wird der verbleibende Resthohlraum von unten nach oben im Kontraktorverfahren über das mit dem Sonden-Bündel mitgeführte Verpressrohr verpresst. Eine gute Wärmeübertragung vom umgebenden Gebirge zu den Sonden-Rohren wird durch das abbindende Verpressmaterial erreicht und dient als Sicherung zwischen Grundwasserstockwerken. Zudem wird damit ein Austreten der Wärmeträgerflüssigkeit in das Grundwasser verhindert.
Die Sondenvor- und Rückläufe werden nach dem Errichten der restlichen Sonden des Feldes und den abschliessenden Arbeiten (wie der Druckprobe der einzelnen Sonden), durch frostsicher verlegte, horizontale Anschlussleitungen mit der Wärmepumpe verbunden und das System mit der Wärmeträgerflüssigkeit befüllt und entlüftet.
Nach der Fertigstellung sind ausser Kontrollschächten oberhalb der Erdgleiche keine Installationen mehr sichtbar.
Die aufnehmende Wärmeträgerflüssigkeit muss kühler sein als die Gesteinstemperatur, damit Wärme übertragen werden kann. Dieses Erfordernis wird zuvor durch eine Wärmepumpe sichergestellt. In der Sonde erwärmt sich die Wärmeträgerflüssigkeit, kann jedoch nicht wärmer als das Gebirge werden.
In einen Wärmeübertrager der Wärmepumpe strömt die erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit, um ihr durch Verdampfungskühlung die enthaltene Wärme zu entziehen.
Zur Anhebung auf das für die Heizung erforderliche Temperaturniveau dient die nachgeschaltete Wärmepumpe. Je grösser die Temperaturdifferenz zwischen der gewünschten Heizmedientemperatur und der Erdtemperatur ist, desto mehr mechanische Pumpenergie ist notwendig.
Kurzum befindet sich in den Rohren eine wässrige Lösung von Salzen, welche auch Sole genannt wird. Auf Ihrem Weg im Erdreich zur Wärmepumpe nimmt die durch die Rohre fliessende Sole Wärme aus der Erde auf. Nachdem die Sole ihre Wärme an das Kühlmittel in der Wärmepumpe abgegeben hat, fliesst sie abgekühlt zum tiefsten Punkt der Doppel-U-Rohrsonde und der Kreislauf beginnt von neuem.
Die Temperatur bleibt ab einer Tiefe von ungefähr 10 Metern über das Jahr praktisch unverändert. Im Durchschnitt nimmt die Temperatur in Mitteleuropa alle 30 Meter um 1°C zu.
Deshalb hat die Erdwärmesonde gegenüber dem Erdwärmekollektor einen höheren Wirkungsgrad. Die Tiefe einer Bohrung beträgt beim normalen Wohnungsbau zwischen 50 und 300 Metern, variiert jedoch entsprechend der geologischen Beschaffenheit des Untergrundes. Die Tiefen können bis zu 400 Meter und mehr betragen, je nach lokalen Gegebenheiten und Leistungsanforderungen.
Ein Qualitätssicherungssystem für Erdwärmesonden-Bohrfirmen unterhält die Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz FWS, um sicherzustellen, dass die Bauherrschaften korrekt beraten, die Bauwerke umweltschonend erstellt, die Sonden nach dem Stand der Technik eingebaut, die Sicherheitsvorschriften eingehalten sowie dem Gewässer- und Grundwasserschutz Rechnung getragen werden.
Mit dem Gütesiegel soll ein hohes Qualitätsniveau für Erdwärmesonden-Bohrfirmen bei der Erstellung und Nutzung von Erdwärmesonden-Anlagen erreicht und auch für die Zukunft gewährleistet werden.
Firmen, die Träger des Gütesiegels sind garantieren:
- Einen hohen Kundennutzen und optimale Beratung der Bauherrschaft
- Eine umweltschonende Erstellung der Anlage
- Dass die Bohrung nach dem neusten Stand der Technik abgeteuft werden
- Den Einsatz von technisch hochwertigem Sonden Material
- Einen grösstmögliche Sicherheit auf der Baustelle