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Erdwärmesonden
Detaillierte Informationen
1. Installation einer EWS
Die
zur Installation einer Erdwärmesonde nötige Bohrung dringt bis in Tiefen
von 50 bis 400 m vor, da in diesem Bereich keine täglichen oder
jahreszeitlichen Temperaturschwankungen mehr auftreten. Der Durchmesser
der Bohrung kann bis zu 160 mm betragen.
Eine EWS benötigt nur sehr wenig Platz an der Erdoberfläche -im
Gegensatz zu horizontalen Erdregistern- und bietet höchste Leistung und
Effizienz.
Beispielsweise beträgt die potenzielle thermische Leistung bei einer jährlichen
Betriebsdauer von 2'400 Stunden in einem durchschnittlich kompakten
Gestein oder einem wassergesättigten Sediment etwa 40 bis 60 W pro
Laufmeter, für horizontale Erdregister liegt sie hingegen bei nur 16 bis
24 W pro Quadratmeter Oberfläche.
Generell besteht eine Erdwärmesonde aus 2 druckbeständigen
Kunststoff-U-Rohren (Polyethylen - PE), durch die eine Wärmeträgerflüssigkeit
zirkuliert.
Wenn die Bodenbeschaffenheit nur wenig bekannt ist, ist es ratsam,
einen Geologen oder Hydrogeologen mit einzubeziehen. Zusammen mit dem
Heizungsinstallateur wird er die nötige Tiefe der Erdwärmesonde in Abhängigkeit
des Wärmebedarfs festlegen. Die Dimensionierung einer Erdwärmesonden-/Wärmepumpenanlage
ist von besonderer Bedeutung bei einem Erdwärmesondenprojekt und sollte
vor der Beantragung der Bohrbewilligung durchgeführt werden.
2. Bewilligungsverfahren
Aus
Gründen des Grundwasserschutzes, aktuelles oder potentielles Trinkwasser
zu erhalten, gibt es Gebiete, in denen Bohrungen untersagt sind. Dies ist
der Fall in den Grundwasserschutzzonen S1, S2 und mitunter S3, die die
Umgebung einer Trinkwasserentnahmestelle bilden.
In einigen Fällen gehören auch Gebiete den Schutzzonen an, die
darunterliegende Karstgrundwasserleiter schützen.
Auf Deponien, verschmutzten oder kontaminierten Standorten sind Bohrungen
generell untersagt, um den Kontakt zwischen Oberflächenwasser und zu als
Trinkwasser nutzbare Aqiferen zu vermeiden.
In bestimmten Regionen kann es aus geologischen oder hydrogeologischen Gründen
eine Beschränkung der Bohrtiefe geben. Um aber trotzdem die gewünschte
thermische Leistung zu erreichen, werden in solchen Fällen 2 Bohrungen
von geringerer Tiefe, die das bestehende Tiefenlimit nicht überschreiten,
statt einer einzigen abgeteuft.
In Gebieten, in denen der Boden als instabil gilt, sind gleichfalls
Bohrungen verboten, da hier die Unversehrtheit des Wärmetauschers auf
lange Sicht nicht gewährleistet werden kann.
3. Wichtigkeit einer fachgerechten technischen Ausführung
Nach
Einbringen der PE-Rohre, wird der verbleibende Zwischenraum zwischen den
Rohren und dem Rand der Bohrung vollständig durch Injizieren einer
Suspension aus Bentonit und Zement verfüllt. Dadurch ist ein guter
thermischer Kontakt zwischen Erdwärmesonde und Boden gewährleistet und
das Risiko unerwünschten Wasserflusses entlang der Wärmetauscherrohre
wird vermieden. Die injizierte Suspension wird durch ein Zusatzrohr vom
Bohrlochfuss her eingepresst und breitet sich von dort nach oben hin aus.
Spezialisierte Unternehmen führen entsprechend bestimmter Qualitätskriterien
die Bohrung und das Einbringen der Rohre durch. Die Fördergemeinschaft Wärmepumpen
Schweiz – Informationsstelle Wärmepumpen stellt Zertifikate für
Unternehmen aus, die die entsprechenden Auflagen erfüllen.
4. EWS und Wärmepumpe, ein gewinnbringendes Team
Die Erdwärmesonde bezieht die Wärme des Bodens über die
Bohrlochwand, die den Kontakt mit dem Untergrund darstellt.
Die verwendete Wärmeträgerflüssigkeit besteht normalerweise aus
einem Wasser-Glykol-Gemisch (Sole), um bei zu optimistischen
Dimensionierungen gegenüber den realen Wärmeanforderungen ein Einfrieren
der Flüssigkeit zu vermeiden.
Mit Hilfe eines Wärmetauschers wird die Energie in den
Arbeitsmittelkreislauf der Wärmepumpe übertragen. Während des normalen
Betriebs sollte der Temperaturunterschied zwischen Eingang und Ausgang der
Rohre (2 bis 4 K) so gering wie möglich sein, was gleichzeitig nach einer
hohen Durchflussrate der Wärmeträgerflüssigkeit verlangt.
Der Untergrund liefert etwa 75% der am Ausgang der Wärmepumpe
nutzbaren Wärmeenergie. Die verbleibenden 25% werden der Wärmepumpe in
Form von elektrischer Energie zugeführt. Dies soll im Folgenden noch
veranschaulicht werden: eine Heizung, die zu 100% mit Strom betrieben wird
(immerhin noch in 3% aller 2005 gebauten Einfamilienhäusern!) verbraucht
100% elektrische Energie um Wärmeenergie zu Heizzwecken zu erzeugen. Der
Einsatz von EWS/WP ermöglicht es, den Stromverbrauch um 75% gegenüber
einer 100% elektrischen Heizung zu senken - dank der Energie des
Untergrunds.
5. Tiefe von EWS, Heizen und Kühlen
Mit
einer Erdwärmesonde von etwa 150 bis 200 m Länge ist es prinzipiell möglich,
ohne zusätzliche Heizanlagen, ein Einfamilienhaus zu beheizen und den
Warmwasserbedarf abzudecken.
Bei tieferen Erdwärmesonden kann anstatt des
Wasser-Frostschutzmittel-Gemischs (Sole) reines Wasser verwendet werden,
da hier der Wärmeträgerflüssigkeit eine Wärmequelle mit höherer
Temperatur zur Verfügung steht. Dies kann beim Grundwasserschutz von
besonderer Bedeutung sein.
Die potenzielle thermische Leistung pro Meter Sondenlänge hängt
entscheidend von den die Bohrung umgebenden Gesteinen und vom
Vorhandensein von Wasser ab. Bestimmte Gesteine, wie z.B. ungeklüfteter,
massiver Kalkstein, Gneis oder wassergesättigte Sande weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit
auf. Trockene Sande oder Tone leiten die Wärme beispielsweise beträchtlich
schlechter.
Für eine gegebene Heizleistung, ist die Erdwärmesondenlänge von der
Höhe, auf der sich das Gebäude befindet, der vertikalen Abfolge der
geologischen Horizonte und ihrer Wassersättigung (trocken oder feucht)
abhängig.
Für eine Sondenlänge von weniger als 200 m ist es möglich, den
Untergrund im Sommer als Kältequelle zu nutzen. Dabei ist die Wärmepumpe
nicht in Betrieb, sondern nur die Zirkulationspumpe sorgt dafür, dass die
Wärmeträgerflüssigkeit in den Rohren zirkuliert und die während des
Winters im Boden erzeugte Kälte zur Gebäudekühlung genutzt werden kann.
Die dabei gewonnene überschüssige Wärme aus einem Gebäude trägt somit
zur thermischen Wiederaufladung des Untergrunds bei.
Während Einzel-Erdwärmesonden im meist nur zum Heizen von
Einfamilienhäusern dienen, nutzen [ Erdwärmesondenfelder
] den Boden gleichzeitig zum Heizen und Kühlen grosser Gebäude.
6. EWS und WP, auch bei Gebäuderenovation integrierbar!
Bei
Gesamtrenovation eines Gebäudes, lohnt es sich zu prüfen, ob die
Installation einer EWS gekoppelt an eine WP möglich ist.
Anfänglich für Niedertemperaturheizungen entwickelt
(Fussbodenheizungen), gibt es heutzutage Wärmepumpen, die Temperaturen
von 50 bis 60 °C erzeugen. Sie erlauben es, renovierte Häuser, die mit
Radiatoren ausgestattet sind, mit hohem Wirkungsgrad zu beheizen.
Darauf bedacht, die Energieeffizienz eines Gebäudes zu steigern, müssen
vor Installation einer EWS oder eines komplett neuen Heizsystems
verschiedene Parameter miteinbezogen werden. Heutzutage sollte das Ziel
nicht mehr nur die "klassische" Renovierung der Gebäudesubstanz
beinhalten.
Um den Gesamtenergiebedarf eines zu renovierenden Gebäudes zu senken
und dabei die EWS und die WP richtig zu dimensionieren, ist es je nach Gebäudehülle
oft nötig, gleichzeitig die Energieeffizienz eines oder mehrerer Gebäudeteile
zu verbessern: Isolation des Dachs, des Fundaments, der
Kellerbegrenzungen, Isolation der Wohnräume an der Aussen- oder
Innenseite, Austausch alter Fenster durch zwei- oder dreifachverglaste
Scheiben,…
Heizeinsparungen sind sehr wichtig. Bestimmte Massnahmen verlangen nur
geringe Investitionen im Vergleich zu den Einsparungen auf mittlere oder
lange Sicht, insbesondere durch die Reduktion der Betriebskosten.
Ingenieurbüros sind für Energiebedarfsberechnungen von Gebäuden
spezialisiert. Sie entwickeln Massnahmen, wie Energiebedürfnisse
reduziert, vorhandenes Energieangebot vernünftig genutzt, Betriebskosten
eingedämmt, aber auch hohe Investitionskosten begrenzt werden können.
Zusammenfassend ist es für ein renovierungsbedürftiges Haus
wirtschaftlich vertretbar, nach vorgängiger Bewertung des Gebäudeenergiehaushalts,
eine EWS zu installieren. In der Schweiz wurden 2006 von fast 1'000'000 m
abgeteuft Sondenmeter, 353'000 m für den Ersatz von traditionellen
Heizungen durch EWS/WP-Installation erstellt (gemäss
Sole/Wasser-WP-Verkaufszahlen).
7. Investitions- und Betriebskosten
Die Kosten für eine Erdwärmesonde hängen von mehreren Faktoren ab.
Im Normalfall sollte man für eine einzelne Sonde 60.– bis 90.– CHF
pro Sondenmeter oder 160.– CHF pro Meter, wenn man die Wärmepumpe und
den entsprechenden Anschluss an die EWS mit einbezieht, rechnen.
Eine Gesamtbilanz ist nötig, in die alle Zusatzinvestitionskosten
sowie auch die jährlichen Energiekosten mit einbezogen werden. Unter Berücksichtigung
der jeweiligen Projektrandbedingungen, ergeben sich vorteilhafte
Gesamtbetriebskosten und auf lange Sicht stabile Gestehungskosten für die
gelieferte Wärme.
Jede Anlage ist anders. Bei einer Investitions- und
Betriebskosteneinschätzung, muss selbstverständlich darauf geachtet
werden, was als Energiereferenz zu Grunde liegt und worauf die Einschätzungen
der Wärme- bzw. der Warmwasseranforderungen beruhen.
8. Vor- und Nachteile /Grenzen
Einschränkungen können es z. B. durch die geologische
Bodenbeschaffenheit, durch eventuelle Einschränkungen auf Grund des
Grundwasserschutzes oder wegen Instabilität des Bodens, die die
Unversehrtheit der EWS auf lange Sicht nicht gewährleistet, und durch
andere zuvor angesprochene Aspekte auftreten. Diese Einschränkungen
ausgenommen, gibt es bei korrekter Dimensionierung der EWS und der WP sehr
wenig Nachteile:
Das Haus muss durch eine Strasse direkt erreichbar sein, um die Bohrgeräte
und alles, benötigte Material auf den Bohrplatz zu schaffen.
Die Vorteile der Geothermienutzung sind hingegen zahlreich :
Aus praktischer Sicht gesehen, ist der benötigte Platz für die
Bohrarbeiten minimal und die Bohrdauer kurz: nur etwa 1 bis 2 Tage, abhängig
von der benötigten Bohrtiefe. Ist die EWS dann mit der Wärmepumpe
verbunden, ist an der Erdoberfläche nichts mehr sichtbar. Der Platz den
eine WP einnimmt ist auf den Heizungsraum beschränkt (analog der Grösse
einer Waschmaschine).
Wenn eine WP einen Ölheizung ersetzt oder im Fall eines Neubaus, kann der
zuvor bzw. theoretisch benötigte Platz zu anderen Zwecken genutzt oder
ganz eingespart werden. Zudem müssen Häuser, für die eine EWS/WP
vorgesehen ist, nicht mit einem Schornstein ausgestattet werden.
Vom technischen Standpunkt aus, haben die etwa 30 Jahre Erfahrung der Wärmepumpenhersteller
im Einfamilienhausbereich zu betriebssicheren WP geführt, deren
Wirkungsgrad ständig zunimmt. Die zertifizierten Unternehmen garantieren
diesbezüglich eine fachgerechte Durchführung der Arbeit.
Des Weiteren ist diese Technologie auf mittlere Sicht wirtschaftlich
rentabel, da die Investitionskosten normalerweise nach einigen Jahren
wieder ausgeglichen sind, allerhöchstens nach etwa 10 Jahren in Kantonen
mit hohen Strompreisen. Die Strompreise sind von Kanton zu Kanton sehr
unterschiedlich und haben direkten Einfluss auf die Dauer, bis ein
Investition amortisiert ist. Auf jeden Fall ist eine solche Investition
Sinn voll, vorausgesetzt die Anlage ist richtig dimensioniert.
In Anbetracht der Vorteile bezüglich der Umwelt, erlaubt eine
Kombination aus Erdwärmesonde und Wärmepumpe, ohne fossile Brennstoffe,
wie Erdöl und- gas, auszukommen. Diese Lösung produziert weder CO2
noch Feinstaub. Eine Erdwärmesonden-/Wärmepumpenanlage macht unabhängig
von den Unsicherheiten, die mit der begrenzten Verfügbarkeit fossiler
Brennstoffe zusammenhängen. Eine gewisse Abhängigkeit vom Strompreis
bleibt dennoch bestehen, allerdings ist die Kostenentwicklung besser
vorherzusehen und weniger von den weltpolitischen Ereignissen bestimmt.