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Erdreich regenerieren
- Was ist eine Regeneration des Erdreichs und wieso ist sie wichtig?
- Auch bei Einzelsonden kann eine Regeneration Sinn machen
- Wie regeneriere ich die Erdsonde nachhaltig?
- Eine Regeneration in jedem Fall planerisch vordenken
Wenn ein Haus mit einer Erdwärmesonde geheizt wird, entzieht die Sonde dem Erdboden Wärme. Das Problem ist, dass diese Wärme nur sehr langsam nachfliesst. Der Einfluss der Sonne ist vernachlässigbar in Tiefen unter 20 m, und der geothermische Wärmestrom aus der Tiefe ist verhältnismässig klein. Der grösste Teil der Wärme fliesst von der Seite her nach, was besonders in Gebieten mit vielen Erdwärmesonden langfristig zu grossen Problemen führen kann.
Das Bild unten zeigt das Temperaturprofil des Erdreichs in der Nähe einer Erdwärmesonde nach ein paar Jahren, wenn das Erdreich nicht regeneriert wird. Das Heizen eines Hauses im Winter entzieht dem Boden mehr Wärme, als im Sommer nachfliessen kann. Dies führt dazu, dass der Boden in einem gewissen Radius um die Sonde auskühlt, was die Effizienz der Anlage mindert.Wenn sich in etwa 60 m um die Erdsonde keine anderen Anlagen befinden, ist dies kein grosses Problem, da sich die Temperatur auf einem gewissen Niveau einpendelt, und die Funktion der Anlage auch langfristig nicht gestört wird. Obwohl sich eine Regeneration trotzdem lohnen kann, da die Jahresarbeitszahl erhöht wird, ist sie nicht unbedingt nötig.
Dies sieht allerdings ganz anders aus, wenn mehrere Sonden dicht nebeinander gebaut werden, wie es in Siedlungsgebieten immer öfter der Fall ist (siehe Bild unten). Da in diesem Fall keine Wärme von der Seite zufliessen kann, kühlt das Erdreich über die Jahre immer weiter aus, bis die Funktion der Anlage nicht mehr gewährleistet werden kann.
Simulationsrechnungen zeigen, dass die Bodentemperatur bei dichter Bebauung nach einigen Jahrzehnten so tief gesunken ist, dass eine Erdsondenanlage nicht mehr wirtschaftlich ist. Besonders problematisch ist dies bei Sonden mit Längen über 200 m. Die Abkühlung des Bodens erfolgt zwar langsamer als bei kurzen Sonden, aber da die Sonneneinstrahlung in grossen Tiefen keinen Einfluss mehr hat, ist die langfristige Endtemperatur bedeutend tiefer.
Dieses Problem kann einfach behoben werden, indem man im Sommer simpel gesagt das Erdreich heizt, wodurch die Erdsonden regeneriert werden. Der benötigte Aufwand ist gering und der Nutzen beträchtlich, weshalb eine Regeneration unbedingt zu empfehlen ist.
Auch bei einer Einzelsonde kann eine Regeneration sinnvoll sein. Das Erdreich um die Sonde kühlt dadurch weniger aus, was die Effizienz der Anlage verbessert. In der Grafik unten sehen sie einen Vergleich der Bodentemperatur zwischen eine Sonde mit und einer ohne Regeneration. Die saisonalen Schwankungen sind zwar in beiden Fällen gleich, doch ohne Regeneration läuft die ganze Anlage im Mittel auf einem tieferen Temperaturniveau.
Im Idealfall wird über das Jahr ähnlich viel Wärme zu- wie abgeführt, so dass sich die ursprünglichen Temperaturverhältnisse langfristig nicht verändern. Da immer auch natürlicherweise Wärme nachströmt, kann etwas mehr Wärme entzogen werden als mit der Regeneration wieder eingebracht wird. Die Temperatur im Sondenfluid kann so bis zu 5 °C höher sein, als ohne Regeneration.
Damit kann die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpenanlage mit EWS deutlich gesteigert werden. Es können im Heizfall auch etwas höhere Werte bezüglich Sondenbelastung und Energie pro Laufmeter Sonde geplant werden.
Die Regeneration einer Einzelsonde ist auch nötig, falls die EWS zu kurz geplant wurde oder der Wärmebedarf höher ist als angenommen. In solchen Fällen droht oft ein Betrieb der EWS im Temperaturbereich unter Null Grad Celsius. Dies führt zu Vereisung um die EWS herum, was den Wärmetransport zur EWS im Gestein vermindert. An der Hinterfüllung können irreparable Frostschäden auftreten, und eventuell können wiederholte Hebungen und Senkungen des Bodens über der EWS auftreten. All dies kann mit einer Regeneration verhindert werden.
Natürlich macht es keinen Sinn, das Sondenfluid mit herkömmlichen Mitteln zu heizen, um die Sonde zu regenerieren. Es gibt zwei Möglichkeiten, das Sondenfluid auf eine sinnvolle Art zu erwärmen: Solarkollektoren oder Verwendung der Wärmepumpenanlage als Klimaanlage.
Als Solarkollektoren ideal geeignet und günstig sind relativ grossflächige, unverglaste Kollektoren, z. B. in Form von Schläuchen unter der Dachhaut oder als Energiezaun erstellt. Im Sommer oder bei Sonneneinstrahlung wird das Sondenfluid auf eine Temperatur von 15 °C bis 30 °C erwärmt. Dieses kann dann zur Regeneration der EWS und/oder als Wärmequelle für die Wärmepumpe (für die Erwärmung des Warmwassers im Sommer) genutzt werden. Die Erdwärmesonde wird nicht nur regeneriert und liefert im Winter höhere Temperaturen, sie wird auch weniger belastet, da die Wärmepumpe einen Teil der Umgebungswärme vom Solarabsorber statt aus dem Boden bezieht. Damit kann die Sonde kürzer geplant werden, was auch die Baukosten senkt. In jedem Fall ergibt sich eine bessere Jahresarbeitszahl.
Es könnten auch übliche verglaste Warmwasser-Kollektoren für die Regeneration verwendet werden, diese sind aber viel teurer. Vorteil hier ist, dass eine Überhitzung der Kollektoren verhindert werden kann, wenn die Überschusswärme im Hochsommer zur Regeneration der EWS genutzt wird. Die Kollektoren können auch einen Teil des Warmwassers direkt erzeugen. Damit kann aber nur wenig Strom gespart werden, da eine Wärmepumpe, welche die Umgebungswärme ab Solarabsorber bezieht, bereits sehr effizient funktioniert. Im Winter hingegen liefern die Solarkollektoren nur wenig nutzbare Wärme, da dann nur wenig Solarstrahlung vorhanden ist.
Die andere Möglichkeit ist, die Erdwärmesonde im Sommer zur Kühlung des Hauses einzusetzen. Dabei muss die Wärmepumpe nicht eingeschaltet sein, das Wasser in den Heizungsrohren wird einfach direkt über einen Wärmetauscher durch das Sondenfluid gekühlt. Der Vorteil hierbei ist, dass nicht extra eine Klimaanlage installiert werden muss, was zusätzlich Geld und Strom spart.
Der Energiebedarf wird allein durch den Stromverbrauch der Umwälzpumpen im Sonden- und Heizkreislauf bestimmt. Falls effiziente Pumpen installiert wurden, ist dieser sehr gering. Die Anlage sollte so ausgelegt und betrieben werden, dass sich die mittlere Temperatur des Bodens über die Jahre nicht verändert.
Ein wichtiger Hinweis: Vor Eintritt in die EWS muss in jedem Fall das Fluid auf eine Temperatur unter ca. 25 °C gemischt werden. Höhere Temperaturen schädigen die Rohrleitungen aus PE langfristig, ausser es seien EWS aus PE-X installiert.
Insbesondere wenn eine EWS mit reinem Wasser betrieben wird, ist eine Regeneration eine gute Versicherung gegen zu tiefe Temperaturen im Sondenkreis.
Ein anderes Beispiel ist, wenn eine bestehende Wärmepumpe mit einer neuen und effizienteren ersetzt wird, oder wenn das Sondenfluid gewechselt wird. Es kann sein, dass die EWS zu kurz für die neue Anlage ist, wodurch eine Vereisung zu befürchten wäre. Eine nachträglich ermöglichte Regeneration kann diese Probleme beheben und die Sonde für beliebig lange Zeit voll funktionstüchtig erhalten.
Die Nachrüstung einer Regeneration sollte in jedem Fall planerisch angedacht werden, um ein eventuelles zu starkes Absinken der Temperatur im Sondenkreis bei Bedarf verhindern zu können. Ideal dafür ist eine Deckenheizung, mit welcher im Sommer gekühlt werden kann.
Um die Regeneration zu verbessern, hilft auch hier thermisch verbessertes Hinterfüllmaterial deutlich.