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- Erdwärmesonden sind heute ein weit verbreitets System
- Erdwärmesonden werden üblicherweise als Doppel-U-Rohr-Sonden erstellt
- Spezielle Bauarten von Erdwärmesonden
- Einfache U-Rohr-Sonden
- Koaxialsonden
- Heat-Pipe-Sonden (CO2-Sonden)
- Energiepfähle, Geostrukturen
- Alternativen zu EWS: direkte Grundwassernutzung, Energiekörbe, Flachkollektoren
- Entwicklungstendenzen
Zur Nutzung untiefer Geothermie werden überwiegend Erdwärmesonden verwendet. Erdwärmesonden (EWS) sind Wärmetauscher, welche vertikal in das Erdreich versenkt werden. Sie machen die im Boden vorhandene Wärme, zusammen mit einer Wärmepumpe, für das Heizen von Gebäuden und für die Erwärmung von Warmwasser nutzbar. Erdwärmesonden können im Sommer auch zum Kühlen verwendet werden, was einer der Hauptvorteile dieser Technik ist. In diesem Fall wird die Wärme, die beim Kühlen eines Gebäudes im Sommer anfällt, ins Erdreich abgegeben.
Eine Erdwärmesonde besteht im Allgemeinen aus zwei parallelen, U-förmigen Kunststoffrohren. Die EWS wird in einer Bohrung von bis zu 250m Tiefe in die Erde hinunter gelassen. Bei idealen Verhältnissen können auch tiefere EWS erstellt werden, der Rekord in der Schweiz liegt bei 700 m. Der Hohlraum zwischen Bohrwand und Rohren wird mit einem speziellen Mörtel (der Hinterfüllung) aufgefüllt. In den beiden U-Rohren lässt eine Umwälzpumpe eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkulieren. Dieses Fluid entzieht dem Erdreich die Wärme und transportiert sie zum Verdampfer in der Wärmepumpe. Dort wird die Wärmeträgerflüssigkeit abgekühlt und fliesst dann zurück in die Erdwärmesonde. Der Kreislauf ist geschlossen.
Diese Bauart hat keine Vorteile gegenüber der Doppel-U-Rohr-Sonde (ausser einem etwas günstigeren Preis). Die Rate des Wärmeaustausch zwischen Erdreich und Sonde wird bestimmt durch die Rohroberfläche, welche bei einer einfachen Sonde viel geringer ist. Sie hat deshalb eine klar schlechtere Effizienz als Doppel-U-Rohr-Sonden und wird kaum je angewendet.
Erdwärmesonden können auch mittels Koaxialrohren erstellt werden. Dabei fliesst im ringförmigen Aussenraum eines Koaxialrohres das Wärmeträgermedium nach unten und im Innenrohr wieder nach oben. Koaxialrohre sind dann vorteilhaft, wenn bei tiefen EWS das Innenrohr vom Aussenraum thermisch getrennt werden kann. Auf diese Weise wirkt dann der Gegenstrom-Wärmetauscher-Effekt nicht.
In der Praxis werden Koaxial-EWS selten angewendet. Hauptgrund ist das Problem, das sich das Koaxialrohr nur schwer aufwickeln und auf die Baustelle zu transportieren lässt. Zudem sind die dauerhaft dichte Herstellung des Sondenfusses und die Konstruktion des Sondenkopfes zur Trennung von Vor- und Rücklauf aufwändig.
Auf dem Markt erhältlich ist heute ein EWS-System, welches mit relativ kurzen, auf der Aussenseite gewellten Koaxialrohren, operiert. Mehrere solcher Koaxialrohre werden ab einem zentralen Schacht schräg und sternförmig in den Boden eingebracht. Das System beinhaltet auch Steckverbindungen für die Koaxialrohre. Im Erdreich sollen resp. dürfen aber nur hermetisch dichte, geprüfte und unlösbare Verbindungen eingesetzt werden, weshalb diese Technik für tiefe Sonden nicht geeignet ist. In Fällen, wo wegen Grundwasser nur 10 bis 30 m tief gebohrt werden darf, können Koaxiale Rohre aber eine interessante Alternative darstellen.
In Deutschland werden teilweise auch offene Koaxialsonden propagiert, das heisst Erdwärmesonden, die nur aus einem Rohr nach unten bestehen, wobei das aufgewärmte Wasser in der offenen Bohrung nach oben geführt wird. Diese Sonde darf natürlich nur mit reinem Wasser betrieben werden. Vorteile sind die einfache Bauweise und der sehr gute Wärmeübergang zur Erde. Voraussetzung ist eine Bohrung in einem Gestein, die ungestützt erhalten bleibt. Nachteil resp. die Gefahr ist, dass mit solchen Anlagen unkontrolliert vertikale Wasserwege (Verbindungen zwischen isolierten wasserführenden Schichten) geschaffen werden. Solche Verbindungen sollten vermieden werden, aus diesem Grund ist eine Bewilligung nur in Ausnahmefällen zu erhalten.
Heat-Pipe-Sonden funktionieren ganz anders als "normale" EWS. In einem Rohr, das ebenfalls wie eine Doppel-U-Rohr-Sonde ins Erdreich eingebaut wird, befindet sich ein Medium unter einem bestimmten Druck, welches bei den im Boden vorkommenden Temperaturen gerade verdampft. Oben am Sondenrohr befindet sich der Verdampfer der Wärmepumpe oder eventuell ein Wärmetauscher, der mit dem Verdampfer der Wärmepumpe über einen Zwischenkreis verbunden ist. Das kalte Kältemittel verflüssigt das Medium oben im Sondenrohr, welches dann den Rohrwänden entlang nach unten fliesst. Das wärmere Erdreich führt zu einer Verdampfung dieses Mediums, welches dann dampfförmig und von selbst nach oben strömt. Als Medium in diesen Heat-Pipe Sonden wird meist CO2 (Kohlendioxid) verwendet. Deswegen wird diese Bauart auch als CO2-Sonde bezeichnet.
Vorteil dieser Technik ist der Wegfall der Sonden-Umwälzpumpe resp. deren Stromverbrauch. Zudem ist die Wärmequellentemperatur etwas höher als bei üblichen EWS mit Sole. Damit lassen sich mit Heat-Pipe-Sonden hohe Jahresarbeitszahlen erreichen.
Nachteil dieser Technik ist, dass bei Verwendung von CO2 hohe Drücke im Sondenrohr erforderlich sind. Damit muss ein druckfestes Rohr aus Metall verwendet werden. Üblich sind heute Wellrohre aus Chromstahl, eventuell auch Kupferrohre. Diese Rohre sind teuer, und es ist unklar, wie hoch die Lebensdauer einer solchen Anlage ist. Je nach Untergrund sind Korrosionsprozesse nicht ausschliessbar. Ein weiterer Nachteil dieser Technik ist, dass mit diesen Erdwärmesonden nicht oder nur mit zusätzlichen technischen Tricks gekühlt werden kann.
Diese Technik kann bereits angewendet werden, sie ist aber bisher in der Schweiz nicht verbreitet. Viele Fragen sind noch offen. Besondere Beachtung muss der Konstruktion des Sondenkopfes geschenkt werden, der Verdampfer der Wärmepumpe und Kondensator des Sondenfluids ist. Fertige Produkte sind hier noch nicht auf dem Markt.
Messungen und realisierte Beispiele zeigen, dass mit optimierten Doppel-U-Rohr-Sonden mit reinem Wasser und einer korrekt dimensionierten und hocheffizienten Sonden-Umwälzpumpe in etwa gleich gute Jahresarbeitszahlen erreicht werden können wie mit einer CO2-Sonde, mit dem Unterschied, dass solche Anlagen können heute routinemässig und ohne Probleme erstellt werden.
In einigen Fällen sind bei Neubauten Pfähle aus statischen Gründen erforderlich, falls der vorhandene Erdboden das Gebäude nicht sicher tragen könnte (z. B. wenn man auf Sand bauen will). Wenn diese Pfähle aus Beton sind, können sie mit Wärmetauscherrohren ausgerüstet werden und so wie eine EWS als Wärmetauscher im Erdreich wirken. Solche Energiepfähle sind immer in grösserer Zahl erforderlich, somit entsteht ein sogenanntes Pfahlfeld. Eine Regeneration des Bodens resp. die duale Nutzung zum Heizen und Kühlen ist deshalb praktisch immer erforderlich - umgekehrt ist dies meist auch ein wesentlicher Vorteil. Falls bei einem Neubau Pfähle erforderlich sind, sollten diese unbedingt als Energiepfähle genutzt werden. Der finanzielle Mehraufwand ist sehr gering, und ansonsten wird die Chance für immer verpasst, eine sehr wirtschaftliche Wärme- und Kältequelle nutzen zu können.
Analog zu Pfählen können in bestimmten Fällen auch weitere erdberührte Betonkonstruktionen als Wärmetauscher genutzt werden. So können Schlitzwände, Bodenplatten und Tunnelwände mit Wämretauscherrohren ausgerüstet werden.
Nicht überall dürfen Erdwärmesonden erstellt werden. Besonders der Schutz des Grundwassers geht oft vor. Falls in einem solchen Fall eine direkte Nutzung des Grundwassers möglich, d.h. erlaubt ist, stellt dies eine energietechnisch sehr gute Alternative zu Erdwärmesonden dar. Die direkte Grundwassernutzung eignet sich aufgrund technischer Gegebenheiten vor allem für grössere Gebäude.
Ansonsten können Wärmetauscher mit anderen Konstruktionsformen die selbe Aufgabe wahrnehmen. Dies sind Erdwärmekörbe bzw. Spiralsonden, flache Erdkollektoren oder Grabenkollektoren (siehe auch: Arbeitsgemeinschaft Wärmepumpen, Technische Merkblätter, Merkblatt T2 - Wärmepumpenheizungsanlage mit horizontalen Erdkollektoren, Erdwärmekörben und Kompaktkollektoren). Diese Bauarten eignen sich im Allgemeinen für kleinere Gebäude mit tiefem Wärmebedarf. Diese Bauarten reichen nur ca. 2 bis 6 m in die Tiefe und befinden sich so meist oberhalb des zu schützenden Grundwassers. In vielen Fällen kann so eine Alternative zu Erdwärmesonden gefunden werden, falls eine EWS aus hydrogeologischen Gründen nicht erstellt werden darf. Es ist allerdings ein genügend grosses Grundstück erforderlich, und die Jahresarbeitszahl (JAZ) wird ganz leicht schlechter sein als bei einer EWS.
Entscheidend dafür, welche Bauart sich für ein bestimmtes Gebäude am besten eignet, sind die Platzverhältnisse vor Ort sowie die Betrachtung der Jahreskosten der Systeme.
Erdwärmesonden haben sich bewährt und sind mittlerweile etabliert. Die Entwicklungen zur Verbesserung der EWS gehen in Richtung immer tieferer EWS, was Rohrmaterial mit höherer Druckfestigkeit erfordert. Zudem sollte Rohrmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit entwickelt werden. Hinterfüllmaterial mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit ist bereits auf dem Markt und wird sich als Standard durchsetzen. Eine EWS wird ausserdem im Sommer vermehrt zum Kühlen eingesetzt, was die Sonde regeneriert und eine Klimaanlage spart.